Power-to-Heat – Strom zum Heizen

Die fluktuierenden Einspeisungen aus Solar- und Windenergieanlagen erfordern auf der Kundenseite flexible Lasten, elektrische Verbraucher also, die sich relativ schnell ein- und ausschalten lassen. Diese Anforderungen können Power-to-Heat-Anlagen erfüllen und damit die Auswirkungen von sich ständig wechselnden Einspeisungen beherrschen.
„Power-to-Heat“-Anlagen sind Hybridsysteme, die für die Wärmeerzeugung ausschließlich elektrischen Strom aus Erneuerbaren Energien verwenden und nur bei Bedarf auf fossile Brennstoffe wie zum Beispiel Holz, Öl, -Kohle oder Erdgas ausweichen. „Es ist ein großer Vorteil, dass der in einem „Power-to-Heat“-Konzept eingesetzte elektrische Heizwiderstand den Strom mit einem Wirkungsgrad von annähernd 100 % in Wärme umwandelt“, heißt es dazu in einer VDE-Studie [1]. Mit elektrischen Wärmepumpen sei sogar ein Vielfaches davon möglich, da der Großteil der benötigten Energie aus der Umwelt bezogen werde (Bild 2). Und last but not least könne man Energie aus Elektrizität dank der flächendeckenden Verbreitung von Stromnetzen fast an jedem Punkt eines Versorgungsgebietes nutzen.

Power-to-Heat mit direkt-elektrischen Heizsystemen
Aufgrund der aktuellen Belastung der Strompreise mit Steuern und Abgaben sind direkt-elektrische Heizsysteme im Vergleich zu Öl- oder Gasbrennern derzeit nicht konkurrenzfähig. Das würde sich ändern, wenn der Gesetzgeber den Preis für Strom aus dem öffentlichen Netz von Steuern, Netzentgelten sowie kommunalen und weiteren Abgaben befreien würde. Strom hätte dann im Energiemarkt die gleichen Chancen wie Öl oder Gas. Wie auf Energiekonferenzen neuerdings zu hören ist, hat die Politik das Problem mittlerweile erkannt und prüft zurzeit Möglichkeiten, dieser Wettbewerbsverzerrung zu Leibe zu rücken.
Wirtschaftlicher und ökologisch besser sieht es aus, wenn dem Kunden Strom aus eigener Produktion zur Verfügung steht, aus einer Photovoltaikanlage zum Beispiel. Mit einem Elektroheizstab und einem passenden Steuergerät dazu könnte er dann den Ökostrom für die Warmwasserbereitung 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 läuft folgendermaßen ab: Das Steuergerät mit dem Namen Cloudy103, ein Produkt der Yellowstone Soft GmbH, bekommt vom elektronischen Zweirichtungszähler 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. 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.
Eine weitere Lösung zur Nutzung von PV-Energie zur Brauchwasser-Erwärmung findet sich bei der österreichischen Austria Email AG. Ihr Photovoltaik-Universalspeicher ES-PV ist eigens für diesen Zweck konzipiert worden, kann aber nach einer einfachen Anpassung der Schaltung auch als Elektrospeicher dienen. Für den PV-Betrieb wird die Speichereinheit über eine Steuerleitung mit dem Wechselrichter verbunden, der die Elektroheizung immer dann einschaltet, wenn ausreichend Sonnenenergie eingestrahlt wird. Der ES-PV lässt sich für mehrere Heizleistungen konfigurieren (1, 2, 3, 4, 5 oder 6 kW), womit eine praktisch stufenlose Anpassung an die jeweils aktuelle Leistung der PV-Anlage möglich ist.
Auch die aktuelle PV-Heater-Regelung aus dem Hause der Varista GmbH ermittelt überschüssigen Solarstrom, um ihn für die Brauchwasser-Erwärmung im Haushalt einsetzen zu können. Der zugehörige Heizstab mit einer Nennleistung von 3,0 kW lässt sich stufenlos regeln. Zu erkennen ist also auch hier das Bemühen, mithilfe moderner Technik schon geringe Stromüberschüsse zu nutzen und so unerwünschte zusätzliche Strombezüge aus dem öffentlichen Netz zu vermeiden. Dafür ist eine stufenlose Regelung die beste Garantie. Wie das Unternehmen mitteilte, wird in Kürze der PV-Heater 3.0 auf den Markt kommen, der Heizstäbe mit bis zu 6,9 kW nach demselben Prinzip regeln kann.
Die Soleg GmbH aus Teisnach plant und vertreibt Anlagen zur Nutzung von regenerativen Energien und tritt auch als Großhändler von PV-Komponenten auf. Neu in ihrem Portfolio ist der Photovoltaik-Optimierer AD-PVO 6000, der in Kombination mit einem „intelligenten Heizstab“, so die Werbung, effizient und kostengünstig PV-Strom zur Wärmeerzeugung nutzen kann. Das Gerät überwacht die Einspeisung von PV-Energie am Hauptanschluss eines Gebäudes. Überschreitet die Einspeiseleis­tung einen kundenseitig über einen PC parametrierbaren Grenzwert, werden bis zu drei unabhängige Lastrelais angesteuert, die ihrerseits elektrische Verbraucher schalten können. Bei der Brauchwasserbereitung in Verbindung mit dem AD-PVO 6000 ist es ein Elektroheizstab, bestehend aus drei getrennten Heizelementen mit Leistungen von 500, 1000 und 2000 W, die sich stufenweise zuschalten lassen.
Ein weiterer Fachhändler für Photovoltaik-Komponenten ist die SolarInvert GmbH, die vor allem Eigenstromversorgungssysteme vertreibt. Ihr Solarhamster-System eignet sich nicht nur zur Brauchwasser-Erwärmung, sondern auch zur Unterstützung der Heizungsanlage. „Das Solar-Heiz-Kraftwerk SHKW ist eine intelligente Steuerungs- und Schalteinheit, die regenerativ erzeugte Energie im Haushalt sinnvoll auf elektrische und thermische Energie verteilt. Es gibt immer dem Eigenverbrauch im Haushalt den Vorrang, erst an zweiter Stelle überführt es die überschüssige elektrische Energie in eine Wärmepumpe, E-Tankstelle oder eben in das häusliche Brauchwasser- oder Heizungssystem“, schreibt das Unternehmen aus Freiberg/Neckar.

Power-to-Heat mit Brauchwasser-Wärmepumpen
Die Wärmepumpe stellt die effizienteste Technik im Power-to-Heat-Bereich dar und zwar vor allem deshalb, weil sich die eingesetzte elektrische Energie durch die Nutzung von Umweltwärme vervielfachen lässt. Die Skala reicht vom Faktor 3 und höher, zum Beispiel bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, bis zum Faktor 5 und höher bei Sole/Wasser-Wärmepumpen. Bei Brauchwasser-Wärmepumpen, die in der Regel als Luft/Wasser-Geräte ausgeführt sind, liegen sie im Bereich Faktor 3. Brauchwasser-Wärmepumpen eignen sich vor allem für Räume, die kühl gehalten werden sollen, wie zum Beispiel Vorratsräume und Weinkeller. Dabei saugt ein Ventilator im oberen Bereich des Wärmepumpengehäuses Raumluft an und bläst sie abgekühlt auf der entgegengesetzten Seite wieder in den Raum hinein. Die Absenkung der Temperatur am Aufstellungsort bringt einen weiteren 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 Wasser mit einer Nenn-Warmwasser-Temperatur von bis zu 55 °C 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 Bedarfsspitzen schnell abzudecken und auf Knopfdruck das obere Drittel des Speichers zum Schutz vor Legionellen einmalig auf 65 °C zu erhitzen. 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 seine 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.

Power-to-Heat in Gewerbe und Industrie
Entstammten die oben gezeigten Beispiele eher Anwendungen aus dem privaten Bereich, gibt es natürlich auch im industriellen und gewerblichen Umfeld Möglichkeiten, Abluft-Wärmepumpen effizient einzusetzen. Dort wird häufig viel Energie für Herstellungsprozesse oder beispielsweise für den Betrieb von Serveranlagen aufgewandt. Ein beträchtlicher Teil davon verpufft in Form von Wärme viel zu häufig ungenutzt. Auch hier empfehlen sich die von vielen Herstellern angebotenen Lösungen. Wie die Autoren der bereits genannten VDE-Studie herausgefunden haben, ist im Niederspannungssektor bisher der Einsatz von Elektro-Heizsystemen die Regel, während im Bereich der Mittelspannung Elektrodenkessel vorherrschten. „Diese Technologien haben insbesondere bei der Erzeugung von Hochtemperatur-Prozesswärme für die Industrie Vorteile gegenüber Wärmepumpen“, heißt es in dem Papier. „Im Bereich der Niedertemperatur-Prozesswärme bis 140 °C können dagegen Großwärmepumpen gegebenenfalls vorhandene Abwärmepotenziale effizient erschließen. Um industrielle Anwendungen zu forcieren, ist neben Warmwasser- und Dampfanwendungen zudem eine deutlich intensivere Neu- und Weiterentwicklung elektrischer Prozesswärmeverfahren notwendig.“ Die Stromnachfrage in der Industrie für Prozesswärme könnte, so die Prognose der Autoren, durch konsequente Nutzung von elektrischen Verfahren bis zum Jahr 2050 gegenüber heute in etwa vervierfacht und flexibler werden.
Zum Schluss noch eine Einschätzung der Autoren 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. Um den notwendigen Ausbau auf ein Mindestmaß zu begrenzen, seien eine möglichst effiziente Nutzung der Erneuerbaren Energien und damit ein hoher Anteil von elektrischen Wärmepumpen in dezentralen Anwendungen notwendig. Für dieses Szenario habe man auch angenommen, dass sich nationale Anbauflächen für Biomasse nicht ausweiten ließen und international Biomasse aufgrund von Nutzungskonkurrenzen kaum zur Verfügung stehe. Interessant dann die Einschätzung der Autoren mit Blick auf das Jahr 2050: Bis dahin werde der Strombedarf in Deutschland bei etwa 745 TWh/a liegen, also nur einen moderaten Anstieg gegenüber heute bedeuten. Der Bedarf werde sich aufteilen in rund 170 TWh Windenergie onshore, 200 TWh Windenergie offshore und etwa 210 TWh Energie aus Photovol­taikanlagen. Der Rest komme aus Wasserkraftwerken sowie KWK- und GuD-Anlagen.

Autor: Wilhelm Wilming

Literatur:
[1] VDE Studie: Potenziale für Strom im Wärmemarkt bis 2050. Studie der Energietechnischen Gesellschaft im VDE (ETG), Juni 2015.
[2] Energieverbrauch in Deutschland im Jahr 2015. Stand März 2016. AGEB – Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen e.V. www.ag-energiebilanzen.de