Windstrom thermisch gespeichert - Beladung von Heizungspuffer- und Trinkwarmwasserspeichern zu Windstromspitzenzeiten

Indirekt beheizte Trink- und Heizungswasserspeicher bieten eine große Wärmespeicherkapazität, mit der Windenergiespitzen abgefangen werden könnten, sofern die Speicher mit einer elektrischen Zusatzheizung ausgestattet sind. Grundvoraussetzung hierbei ist, dass die Speicher von extern gesteuert und abhängig vom Stromangebot oder den Preisen an der Strombörse beladen werden können, z.B. durch die Möglichkeiten eines künftigen intelligenten Netzes (Smart Grid).
Die meisten Neubauten werden derzeit mit einem indirekten Trinkwarmwasserspeicher oder einem Pufferspeicher für Heizungswasser ausgestattet. Bei der wachsenden Zahl von solarthermischen Anlagen zur Trinkwassererwärmung oder Heizungsunterstützung stehen zunehmend Speicher zur Verfügung, deren Größe das zur reinen Deckung des Trinkwarmwasserbedarfs benötigte Speichervolumen überschreitet. Elektrowärmepumpen zur Beheizung werden oft in Kombination mit Pufferspeichern betrieben.
Die marktüblichen Speicher besitzen die Möglichkeit zum Anschluss von Elektroheizstäben oder Heizflanschen. Daher bieten die vorhandenen Geräte die technische Möglichkeit der elektrischen Aufheizung bei hohem Angebot von Strom aus den erneuerbaren Quellen Wind und Sonne.
In einer Untersuchung der HEA wurde das Potenzial der Einspeisung von elektrischer Energie in Wasserspeichern und das Minderungspotenzial an CO2-Emissionen durch Speicherung von Strom aus Windenergie in Wärmespeichern abgeschätzt.

Trinkwassererwärmung
Der Nutzenergiebedarf für Warmwasser nach VDI 2067 für mittleren Bedarf in Wohnungen beträgt 440 bis 880 kWh pro Person und Jahr. Hieraus folgt bei einer Bevölkerung von etwa 80 Mio. Personen ein Nutzenergiebedarf für Warmwasser von bis zu 70 TWh/a. Die dafür einzusetzende Endenergiemenge ist größer und abhängig von der Art der Trinkwassererwärmung und den unterschiedlichen Verlustarten. Für das Jahr 2009 wird der Endenergieverbrauch der Haushalte für Wassererwärmung von der AG Energiebilanzen mit rund 93 TWh beziffert, was dem theoretisch maximalen Potenzial für die Einspeisung in Trinkwassererwärmer entspricht.

Gebäudetypen und Wärmeschutz
Exemplarisch wurden Ein- und Zweifamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser mit zwölf Wohneinheiten untersucht. Durchschnittliche Mehrfamilienhäuser besitzen in Deutschland etwa 6,8 Wohneinheiten, ein derartiges Gebäude wurde mit in die Überlegungen einbezogen.
Beim Wärmeschutz der Neubauten wurde vom Wärmeschutz des Referenzgebäudes nach EnEV 2009 ausgegangen. Der Kesseltausch in Bestandsgebäuden ist auch ohne Verbesserung der Gebäudehülle möglich und üblich, weshalb nur teilweise ein verbesserter Wärmeschutz in Betracht gezogen wurde.

Anlagenvarianten
Grundsätzlich ist zwischen Neubau und Heizkesselaustausch zu unterscheiden. Wird im Neubau in jedem Fall ein neuer Speicher eingebaut, der die Option zur elektrischen Zusatzheizung enthalten kann, ist nicht bei jedem Kesselaustausch mit einem Austausch des vorhandenen Warmwasserspeichers zu rechnen. Bei Wärmepumpenanlagen und größeren Solaranlagen mit Heizungspufferspeichern stehen höhere Speicherkapazitäten zur Verfügung als bei reinen Trinkwarmwasserspeichern, da zum einen die Speicher oft größer sind, zum anderen das Heizungswasser mit höheren Temperaturen gespeichert werden kann.

Analyse des Windenergieangebots
Nach einer Prognose der Bundesregierung soll im Jahr 2020 30% des Stroms aus erneuerbaren Quellen stammen. Der Windenergie fällt dabei eine besondere Bedeutung zu. Die Preise an der Strombörse werden u.a. vom Angebot an Strom aus erneuerbaren Quellen beeinflusst. Bei Vergleich der stündlichen Mittelwerte der Windenergieeinspeisung mit den jeweiligen Strompreisen an der EEX ist eine signifikante Übereinstimmung von Windstromspitzen mit Niedrigpreisereignissen zu erkennen (siehe Bild). Dargestellt sind nur Preise kleiner als 20,– Euro/MWh.

Die „Windheizung“
Grundgedanke ist die Beladung von Heizungspuffer- und Trinkwarmwasserspeichern zu Windstromspitzenzeiten oder bei niedrigen Strompreisen über elektrische Heizelemente. Für die vorliegende Untersuchung wurden 20,– Euro/MWh als Grenzpreis angesetzt. 2008 gab es 419 Ereignisse unter diesem Grenzpreis, 2009 schon 1548, die jeweils für volle Stunden angegeben sind.
Diesem stehen die Speicherkapazitäten der ausgewählten Speicher gegenüber. Aus den erreichbaren Temperaturdifferenzen und den Speichergrößen ergeben sich die möglichen Energiemengen, die in vollständig entladene Speicher eingespeist werden können, als theoretische Maximalwerte. Die Leistungen der installierten Heizstäbe sollten so gewählt werden, dass sich Aufladedauern ergeben, die mit den am häufigsten durchschnittlich täglich zur Verfügung stehenden Niedrigpreisereignissen (1 – 7 Stunden) korrespondieren. Die maximalen Kapazitäten stehen in der Realität praktisch nie zur Verfügung, da sich die Speicher meistens in einem zumindest teilbeladenen Zustand befinden.

Für die Betrachtung wurden u.a. folgende Annahmen getroffen:

• Trinkwarmwasserspeicher werden über die Zentralheizungsanlage nur bis 45°C aufgeladen, soweit mit der Trinkwasserverordnung vereinbar.
• Legionellenschutz soll vorzugsweise durch die Elektro-Heizstäbe erfolgen.
• Die Speicher sind im Durchschnitt halb voll geladen.
• Heizungspufferspeicher stehen nur während der Heizperiode zur Verfügung.

Potenziale der Windheizung
Über eine Abschätzung von Stückzahlen neuer Speicher und Zuordnung von typischen Speichergrößen und Heizstableistungen zu den Gebäudetypen ergab sich die gesamte Leistung, die durch das System aufgenommen werden könnte, wenn sämtliche neuen Heizungsanlagen über die Option verfügten und gleichzeitig in Betrieb gehen könnten zu rund 2500 MW. Theoretisch könnte damit ein Großteil der derzeit benötigten Regelleistung bereitgestellt werden. Außerdem steht unter den getroffenen Annahmen ein Energieeinspeisepotenzial von knapp 2,4 TWh pro Jahr zur Verfügung.
Diesen Werten stehen die tatsächlichen Gegebenheiten gegenüber. Da Niedrigpreisereignisse nicht immer mit dem Bedarf zusammenfallen, muss ein großer Teil des Wassers konventionell erwärmt werden. Längere Niedrigpreisereignisse können wegen bereits voll beladener Speicher nur anteilig genutzt werden. Für die Daten des Jahres 2009 reduzierte sich dadurch das Einspeisepotenzial auf etwa 1,3 TWh.

CO2-Emissionen und Deckungsanteile
Die Minderung des CO2-Ausstoßes durch das System – verglichen mit konventionell erzeugter Wärme – beträgt für die Daten von 2009 etwa 0,35 Mio. t. Dafür wurde vorausgesetzt, dass 485 000 Anlagen installiert sind und die eingespeiste Energie CO2-frei ist, da sie aus einem Überangebot an Strom resultiert, der in Windkraft- oder PV-Anlagen erzeugt wurde.
Abhängig vom tatsächlichen Windstromangebot können für Trinkwassererwärmung oder Heizung hohe Deckungsgrade von bis zu knapp 50% durch das System entstehen. Günstig wirken sich große Speicher, geringer Warmwasserbedarf und geringer Heizenergiebedarf aus.

Gesetzliche Rahmenbedingungen schaffen
Bei vollständiger Umsetzung in allen neuen Anlagen wäre – bezogen auf die Daten von 2009 – nach 20 Jahren eine CO2-Minderung von 7 Mio. t pro Jahr möglich. Durch den zunehmenden Ausbau der Erneuerbaren Energien und Aufrüstung von Bestandsanlagen könnten sich die Potenziale vervielfachen. Dabei kann das System einen wichtigen Beitrag zur Integration von erneuerbar erzeugtem Strom und zum Lastmanagement leisten. Für eine breite Einführung müssen technische und gesetzliche Rahmenbedingungen geschaffen werden, die das System nicht nur ermöglichen, sondern es auch für Energieversorger, Gebäudeeigentümer und Gebäudenutzer attraktiv machen.

KONTAKT: HEA - Fachgemeinschaft für effiziente Energieanwendung e.V., 10117 Berlin, Tel. 030 3001990, Fax: 030 300199-4390, info@hea.de, www.hea.de