Power-to-Heat: Zukünftige Ergänzungsoption für Hybridheizungen

In immer mehr ölbeheizten Gebäuden kommen heute Hybridheizungen zum Einsatz. Sie verteilen die Wärmeversorgung auf mindestens zwei Säulen und verbinden auf diese Weise die Effizienz moderner Öl-Brennwerttechnik mit den Vorteilen regenerativer Energienutzung. Zentrales Element solch multivalenter Heizungen ist ein Wärmespeicher. Er bevorratet die Wärme erneuerbarer Energieträger wie Sonne und Holz, bis diese gebraucht wird. Vermag der Bedarf nicht allein mittels Erneuerbarer Energien abgedeckt zu werden, greift das System auf Heizöl als langzeitspeicherbaren Energieträger zurück. Künftig lassen sich diese Hybridsysteme mit Power-to-Heat um eine weitere Komponente ergänzen – das zeigen Untersuchungen des Instituts für Wärme und Oeltechnik (IWO). Der Grundgedanke dieses Konzepts: Stromerzeugungspotenziale, die auf dem Strommarkt wirtschaftlich oder technisch nicht sinnvoll genutzt werden können, werden mittels elektrischer Heizeinrichtungen in Wärme umgewandelt. Die überschüssige Energie kann so in Trinkwarmwasser- oder Heizungswärmespeicher eingebracht werden. Dass die Idee funktioniert, zeigen erste Referenzobjekte.

Die Energiewende ist derzeit hierzulande eines der größten politischen und gesellschaftlichen Projekte. Die aktuellen Pläne der Bundesregierung sind ehrgeizig: Bis 2050 sollen die Treibhausgasemissionen um 95 % gegenüber dem Bezugsjahr 1990 gesenkt werden. Damit dies gelingt, soll der Anteil der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch bis zum Jahr 2025 auf 40 bis 45 %, bis 2050 sogar auf 80 % steigen. Die aktuellen Entwicklungen in Sachen Energiewende zeigen, dass den entsprechenden Planungen durchaus Taten folgen. So stammten im Jahr 2013 immerhin bereits etwa 24 % des deutschen Stroms aus regenerativen Quellen. Doch Windkraft und Photovoltaik weisen eine Besonderheit auf: Ihre Energiequellen stehen nicht immer bedarfsgerecht zur Verfügung. Um das von den jeweiligen Wetterlagen abhängige, schwankende Angebot möglichst gut nutzen zu können, werden neben dem Netzausbau Speichermöglichkeiten und die Steuerbarkeit der Stromnachfrage zunehmend wichtiger. Bereits heute ist an sehr windigen Tagen regional das Erneuerbare Stromerzeugungspotenzial so groß, dass Wind­energieanlagen gedrosselt oder abgeschaltet werden müssen. Allein in Schleswig-Holstein wurden 2013 aus dem EEG-Konto 30 Mio. Euro für abgeregelten und damit nicht erzeugten Windstrom als Entschädigung an die Windkraftbetreiber gezahlt.

Ölbeheizte Gebäude: Bestand bildet großes Potenzial
Neben dem Strommarkt ist der Gebäudesektor ein weiterer wesentlicher Bereich für eine erfolgreiche Umsetzung der Ener­giewende. Die Regierungspläne sehen hier bis 2050 eine Minderung des Primärenergiebedarfs in der Größenordnung von 80 % gegenüber 2008 vor. Eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende kann daher nur erfolgen, wenn beim Umbau der Energieversorgung auch ein besonderer Fokus auf den Wärmemarkt gelegt wird. Mit Power-to-Heat in ölbasierten Hybridheizungen hat das IWO ein Konzept entwickelt, das den Herausforderungen sowohl im Strommarkt wie auch im Wärmemarkt Rechnung trägt.
Effiziente Ölheizungen können einen entscheidenden Beitrag für das Gelingen der Energiewende leisten. Schließlich beziehen gut 20 Mio. Menschen in Deutschland ihre Wärme daheim vom Energieträger Heizöl. Mehr als 5,6 Mio. Ölheizungen versorgen 11 Mio. Haushalte. Ein Schwerpunkt sind Ein- und Zweifamilienhäuser im ländlichen Raum, wo eine leitungsgebundene Energieversorgung vielfach nicht zur Verfügung steht. Ölheizungen werden daher auch in den kommenden Jahrzehnten ein wichtiger Bestandteil der Wärmeversorgung in Deutschland sein, zumal der Einbau von Öl-Brennwertheizungen und die Kombination mit regenerativen Energieträgern in Hybridheizungen vergleichsweise kosteneffiziente Sanierungsmaßnahmen für das Erreichen der klimapolitischen Ziele sind.

Öl-Hybridheizungen sorgen für eine sichere Grundversorgung in Kombination mit Erneuerbaren Energien
Eine bereits nahezu klassische Hybridlösung ist die Kombination eines Öl-Brennwertgeräts mit Solarthermie. Mehr als jedes dritte (37 %) neu installierte Öl-Brennwertgerät wurde im Jahr 2013 mit einer thermischen Solaranlage kombiniert. Das zeigt eine IWO-Befragung von Handwerksbetrieben. Auch bei der Solar-Erweiterung bestehender Heizungen weisen Ölheizungen einen großen Anteil auf. Vermehrt wird in solchen Anlagen zusätzlich ein wasserführender Holzkamin­ofen integriert. Bei dieser Anlagenkonfiguration übernimmt in den Sommermonaten die Solaranlage nahezu ausschließlich die Warmwasserbereitung. In den Übergangsmonaten und im Winter trägt, je nach Nut­zergewohnheiten, der wasserführende Kaminofen einen beachtlichen Anteil zur Wärmeversorgung des Hauses bei. Erst wenn Sonne und Holzofen den Wärmebedarf des Gebäudes nicht mehr allein decken können, also vorwiegend innerhalb weniger Wintermonate, schaltet sich automatisch der Brennwertkessel hinzu. So wird, auf das gesamte Jahr bezogen, ein beträchtlicher Anteil der benötigten Wärmeenergie regenerativ erzeugt.
In ölbeheizten Ein- und Zweifamilienhäusern werden sich hybride Heizsysteme in den nächsten Jahren von der Nischen- zur Standardlösung entwickeln. Denn diese Gebäude verfügen in der Regel über genügend Platz für Speicher, Heizgerät und Kaminofen sowie über ausreichend Dachfläche für Solarkollektoren. Der Heizölvorrat im Tank sichert bei Bedarf die Grundversorgung ab. Weil es selbst in kleinen Mengen kostengünstig transportiert und langfristig vor Ort gelagert werden kann, eignet sich Heizöl sehr gut als Komplementärenergie zu den Erneuerbaren Energien. Leitungsgebundene Energieträger hingegen dürften bei geringen Abnahmemengen eher an wirtschaftliche Grenzen stoßen, insbesondere in weniger dicht besiedelten Gebieten.

Ein Wärmespeicher für alle Optionen
Hybridheizungen müssen nicht in einem Zug installiert und finanziert werden. Sie können auch stufenweise ausgebaut und selbst Jahre später noch um einen weiteren Energieträger ergänzt werden. Auch die Kombinationsvarianten sind vielfältig. So kann beispielsweise zunächst ein wassergeführter Kaminofen zugebaut werden und zu einem späteren Zeitpunkt eine Solarthermieanlage oder der dann fällige neue Brennwertkessel installiert werden. Das macht Hybridlösungen für den Hausbesitzer attraktiv, wie Befragungen von Ölheizungsbetreibern zeigen. Für den Markterfolg ist allerdings entscheidend, dass auch der Investitionsaufwand für den kompletten Ausbau für Hausbesitzer überschaubar bleibt.
Eine wesentliche technische Voraussetzung für den Ausbau der bestehenden Heizung zum multivalenten Heizsystem ist das Vorhandensein eines Wärmespeichers, an den weitere Wärmequellen angebunden werden können. Denn da bei regenerativen Ener­gieträgern Wärmeangebot und Wärmebedarf oft zeitlich versetzt auftreten, wird ein großvolumiger (häufig 500 bis 1000 l), gut gedämmter Pufferspeicher benötigt, um die Wärme aus den erneuerbaren Energiequellen so lange bevorraten zu können, bis sie angefordert wird. Zugleich kann der Wärmespeicher als hydraulische Weiche für die unterschiedlichen Temperaturen und Volumenströme im Heizungssystem fungieren. Die notwendige Speichergröße richtet sich nach den individuellen Gegebenheiten. Bei entsprechendem Wärmebedarf, etwa in größeren Häusern, kann die Gesamtkapazität mit zusätzlichen Pufferspeichern erweitert werden.

Ökostrom für den heimischen Wärmevorrat
Experten, wie zum Beispiel Prof. Dr. Ralf Simon von der Transferstelle für rationelle und regenerative Energienutzung der Fachhochschule Bingen, erwarten, dass der weitere Ausbau von Windkraft und Photovoltaik schon in absehbarer Zeit immer öfter zu ungeplanten Überangeboten von Strom führen wird. Simon sieht darin ein wichtiges Problem, das sich infolge der Energiewende bereits heute auf dem Strommarkt ergibt und künftig verstärken wird. Aus seiner Sicht bietet der Regelenergiemarkt hier die Möglichkeit für flexible Lösungen, denn ohne Regel­energie würde das Stromnetz künftig hoffnungslos überlastet werden. Die Regelenergie oder auch Regelleistung gewährleistet die Versorgung der Stromkunden mit genau der benötigten elektrischen Leistung bei besonderen Ereignissen im Stromnetz, wie zum Beispiel dem übermäßigen Angebot von Strom aus Wind- beziehungsweise Photovoltaikanlagen.
Da Stromspeichertechnologien auch auf längere Sicht nicht ausreichend beziehungsweise nicht wirtschaftlich zur Verfügung stehen werden, wird es zunehmend attraktiver, die Nachfrage nach Strom dem Angebot anzupassen. Hier setzt das IWO-Konzept an. Power-to-Heat wandelt Angebotsspitzen, die auf dem Strommarkt sonst keine Verwendung fänden, mit einer elektrischen Heizeinrichtung in Wärme um und speist die Energie in Wärmespeicher für Trinkwarmwasser oder Heizungswasser ein und vermag die Hybridheizung so um eine weitere Komponente zu ergänzen. Hybridheizungen könnten dadurch erhebliche Mengen von ansonsten abgeregeltem Strom aufnehmen und bevorraten. Das haben auch Untersuchungen der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft (FfE) sowie des Zentrums für Innovative Energiesysteme (ZIES) gezeigt.

Im Vorteil gegenüber ausschließlich strombasierten Heizsystemen
Der besondere Vorteil: Anders als rein strombasierte Heizsysteme (wie zum Beispiel monovalente Strom-Wärmepumpen oder Nachtstromspeicherheizungen) benötigen Power-to-Heat-fähige Ölheizungen keine zusätzlichen Reservekraftwterkskapazitäten, die mit großem Kostenaufwand bereitgehalten werden müssten. Heizöl ist als „Backup-Energie“ stets verfügbar. Zudem entstehen keine zusätzlichen Kosten für eine Netzinfrastruktur, da der Energieträger leitungsungebunden ist. Dass die Idee funktioniert, zeigt zum Beispiel ein Referenzobjekt des IWO in Berlin, das mit dem Heiztechnikhersteller Buderus und einem örtlichen Heizungsbauer realisiert wurde.
Das am westlichen Stadtrand gelegene Einfamilienhaus verfügt über ein modulierendes Öl-Brennwert-Heizgerät mit 5 bis 15 kW Leistung, eine elektrische Heizeinrichtung mit 9 kW Leistung sowie einen Pufferspeicher mit 500 l Fassungsvermögen. Die elektrische Heizeinrichtung wurde wie ein Heizkessel über eine eigene Umwälzpumpe mit dem Pufferspeicher verbunden. Die Ansteuerung erfolgt über eine separate Kommunikationsbox, auf die die Leitwarte des Regelenergiepools des Stromhändlers Energy2market GmbH (e2m) jederzeit über das Mobilfunknetz zugreifen kann. Die Heizeinrichtung des Referenzobjekts nutzt so nur dann Strom aus dem Netz, wenn dort gerade zu viel vorhanden ist und die Annahme dieses Stroms über den Regelenergiemarkt eine attraktive finanzielle Vergütung erfährt.

Wichtiger Beitrag zur Stabilität der Stromnetze
Durch die gezielte Einbindung von ansonsten abgeregeltem Strom in Hybridheizungen wird eine wertvolle Systemdienstleistung für den Strommarkt möglich, denn dies erhöht die Stabilität der Netze und verbessert die Auslastung Erneuerbarer Stromerzeuger. Durch die systemdienliche Strom-Nachfragesteuerung von Power-to-Heat-fähigen Hybridheizungen wird zudem der Druck auf den volkswirtschaftlich kostspieligen Netzausbau gemildert, da Stromerzeugungsspitzen unmittelbar regional genutzt werden können. Hilfreich ist hierbei die regionale Nähe ölbeheizter Gebäude zu Windkraftanlagen und großen Photovoltaik-Anlagen. Das IWO-Konzept vernetzt den Strom- mit dem Wärmemarkt und hilft so, intelligent und mit einem überschaubaren Kostenaufwand für öffentliche wie private Haushalte, die Ziele der Energiewende zu erreichen. Für die Hausbesitzer, die Power-to-Heat nutzen, bietet sich der Vorteil, dass sie dadurch ihren fossilen Brennstoff-Verbrauch weiter reduzieren können.
Für Besitzer einer Photovoltaikanlage ist überdies noch ein weiterer Aspekt interessant: Sobald die Einspeisevergütung für selbsterzeugten Solarstrom soweit abgesunken ist, dass die Wärmeerzeugung mit diesem, sonst ins öffentliche Netz eingespeisten, Strom günstiger möglich ist als mit der Ölheizung, wird dieser Strom zur Wärmeerzeugung mittels Power-to-Heat-Element genutzt. Power-to-Heat kann also auch zur Solarstrom-Eigenverbrauchsoptimierung genutzt werden.
Derzeit sammelt das IWO weitere Praxiserfahrungen. Hierzu wurde in Zusammenarbeit mit einem weiteren Heiztechnikhersteller und der auf virtuelle Kraftwerke spezialisierten Firma SP Ener­gycontrol kürzlich eine neue Referenzanlage in Betrieb genommen. Bereits die bisherigen Praxiserfahrungen zeigen, dass das Power-to-Heat-Konzept grundsätzlich funktioniert. Bis die Zukunft des Heizens beginnen und die Lösung im „Massengeschäft“ eingesetzt werden kann, sind aber noch einige Hürden zu nehmen. Hierzu zählt vor allem die Bereitstellung einer preisgüns­tigen Kommunikationstechnik zur externen Ansteuerung des Elektroheizers. Wenn diese zukünftig bereits in die Elektronik von Heizgeräten integriert oder als Großserienprodukt auf dem Markt verfügbar wäre, würde dies die Investitionskosten für die Endverbraucher auf ein günstiges Maß senken. Durch die Einführung dynamischer Stromtarife für private Stromverbraucher und die Reduzierung der Umlagen und Entgelte auf ansons­ten abgeregelten Strom, der in Power-to-­Heat-fähigen Hybridheizungen genutzt wird, wäre auch eine wirtschaftliche Motivation für den Endkunden gegeben, sich bei der Heizungsmodernisierung für Power-to-Heat-fähige Hybridheizungen zu entscheiden.

Autoren: Dipl.-Ing. (FH) Simon Jastrzab und Dipl.-Ing. (FH) Christian Halper, Institut für Wärme und Oeltechnik e. V. (IWO)

Bilder: IWO

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