Energiekonzepte mit Solarthermie und Photovoltaik

In den meisten Fällen wird die Wärme- und Stromversorgung von Gebäuden getrennt voneinander betrachtet. In Bezug auf die Einbindung von Solarenergie lassen sich wärmebasierte und strombasierte Konzepte ausmachen. Das Forschungsprojekt „SolSys“ unternimmt hier einen Brückenschlag.

Bei wärmebasierten Konzepten wird solar erzeugte Wärme vor Ort, üblicherweise in Warmwasserspeichern, über Zeiträume von einigen Tagen bis zu mehreren Monaten bereitgehalten. Demgegenüber wird bei strombasierten Konzepten die Erzeugung von elektrischer Energie aus Photovoltaik (PV) maximiert. Um die elektrische Energie zu speichern, meist über kurze Zeiträume von bis zu wenigen Tagen, werden verschiedene Batterietypen eingesetzt.
Da eine sinnvolle Zusammenführung zu „Wärme-Strom-Konzepten“ meist nicht erfolgt, untersuchen die Technische Universität Braunschweig (das IGS), das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und das Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT) in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojekt „SolSys“ auf Solarenergie basierende Energieversorgungskonzepte für Wohngebäude, wobei sie die Wärme- und Stromversorgung parallel analysieren.

Ansatz der Systemsimulationen
Die für solare Nutzung geeignete Dachfläche soll anteilig so mit Solarthermie und Photovoltaik belegt werden, dass der solarthermische und der solarelektrische Deckungsanteil für den Gesamtenergiebedarf im Gebäude maximal wird.
Die Flächenanteile von Solarthermie und PV werden in Schrittweiten von 10 % variiert. Neben den Anteils-Verhältnissen werden unterschiedliche thermische und/oder elektrische Speicherkapazitäten untersucht. Die thermischen Speicher werden zu 50 l/m² Aperturfläche, 100 l/m² Aperturfläche und 150 l/m² Aperturfläche festgelegt. Für elektrische Speicher werden Kapazitäten von 0,5 kWh/kWp, 1,0 kWh/kWp, 1,5 kWh/kWp und 2,0 kWh/kWp angesetzt.

Grundlagen der Simulation
Im Forschungsprojekt werden sechs Gebäude im Rahmen des Monitorings untersucht. Es handelt sich um Ein- und Mehrfamilienhäuser, als Ausgangspunkt für die Systemsimulationen.
Auf Grundlage dieser sechs Referenzvarianten werden drei alternative Versorgungkonzepte mit jeweils Solarthermie und PV für jedes Gebäude entwickelt (Luft/Wasser-Wärmepumpe, Gasbrennwertkessel und Heizstab) und mittels thermischer Gebäudesimulation untersucht. Bei den Simulationen werden ausschließlich die Technologien zur Bereitstellung von Wärme und Strom variiert. Die Ausrichtung, die Gebäudeform und die Gebäudehüllen bleiben unverändert, außerdem die Systeme zur Verteilung und Übergabe der Heizwärme und des erwärmten Trinkwassers.
Die Gebäude werden dann mit den oben genannten thermischen und elek­trischen Speicherkapazitäten sowie einer Variante ohne elektrischen Energiespeicher untersucht.
Neben den solaren Deckungsanteilen – thermischer Deckungsanteil, elektrischer Deckungsanteil und gesamt solarer Deckungsanteil – werden die Konzepte und Varianten in Bezug auf den Primärenergiebedarf sowie die CO₂-Emissionen beim Betrieb der Anlagen analysiert und bewertet. Berücksichtigt werden die zusätzlich zu erwerbenden Betriebsmittel Gas und Strom sowie eine Verrechnung des eingespeisten Stroms in das öffentliche Netz.
Die Auswertung erfolgt unter zwei Gesichtspunkten: Zum einen, dass der nicht im Haus genutzte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann und zum anderen, dass der solare Überschussstrom nicht eingespeist und auch nicht weiter genutzt wird. Durch die zweite Annahme wird der Aspekt berücksichtigt, dass bereits heute PV-Anlagen aufgrund von Überkapazitäten abgeregelt werden. Im Fall der Netzeinspeisung erfolgt eine primärenergetische und CO₂-Emissionsgutschrift des eingespeisten Stroms. Die ersten Ergebnisse liegen für das Beispielmehrfamilienhaus in Konstanz vor.

Erste grundsätzliche Erkenntnisse
Erste grundsätzliche Erkenntnisse aus dem Mehrfamilienhaus Konstanz sind, dass ein elektrischer Speicher nur im Fall eines Wärmepumpenkonzepts den solarthermischen Deckungsanteil steigert, da ein Gasbrennwertkessel im Vergleich zu einer Wärmepumpe kaum elektrische ­Energie benötigt und somit auch keinen regenerativen Strom aus dem elektrischen Speicher bezieht. Im Fall eines Gaskessels wird praktisch kein für dessen Betrieb benötigter Strom durch die PV-Anlage geliefert.
Zweitens: Der Einfluss der Netzeinspeisung von PV-Überschussstrom sinkt mit Vergrößerung der Solarthermieanlage, da weniger PV-Strom produziert und in das Netz eingespeist wird.
Drittens: Ein elektrischer Speicher senkt den Primärenergiebedarf sowie die CO₂-Emissionen, da gespeicherter PV-Strom auch in den Nachtstunden zur Verfügung steht und damit weniger Strom aus dem Netz bezogen werden muss.
Viertens: Ein elektrischer Energiespeicher hat mit kleiner werdender PV-Fläche immer weniger Einfluss auf den Primär­energiebedarf und somit auf die CO₂-Emissionen des Gebäudes.

Erste Ergebnisse der Variantenstudie im Detail
In Bezug auf die Wärmeversorgung mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe oder einem Gasbrennwertkessel und die Nutzung der Dachfläche durch Solartechnik lassen die derzeitigen Simulationsergebnisse folgende Zusammenhänge erkennen:
Ein Speichervolumen von 100 l/m² Aperturfläche stellt einen guten Ansatz zur Auslegung des thermischen Speichers dar. Ein spezifisches Speichervolumen von mehr als 100 l/m² Aperturfläche führt zu keiner wesentlichen Steigerung der solarthermischen ­Deckungsanteile. Ein Volumen von nur 50 l/m² Aperturfläche verringert den solarthermischen Deckungsanteil gegenüber den Anlagen mit 100 l/m² Aperturfläche um etwa 5 Prozentpunkte.
Bezogen auf den gesamt solaren Deckungsanteil erzielt das Wärmepumpenkonzept mit bis zu 40 % den größten Anteil. Hierbei beträgt das Verhältnis von Solarthermie- zu PV-Fläche 50/50 bis 80/20. Der solarthermische Deckungsanteil konnte, abhängig von der zur Verfügung stehenden Kollektorfläche, nicht über 30 % gesteigert werden. Der solar­elektrische Deckungsanteil ist bei der Versorgung mit Gasbrennwertkessel höher als bei dem Konzept mit Wärmepumpe. Dieser Zusammenhang beruht auf dem höheren Strombedarf des Wärmepumpenkonzeptes.

Erzielbare Deckungsraten
Ohne elektrischen Energiespeicher können je nach Konzept 15 – 40 % des gesamten elektrischen Energiebedarfs über die PV-Anlage gedeckt werden.
Bei den untersuchten Konzepten ergeben sich im Rahmen des Anlagenbetriebs und der Annahme, dass der überschüssige PV-Strom in das Netz eingespeist werden kann, der geringste Primärenergiebedarf und die geringsten CO₂-Emissionen mit einem Wärmepumpenkonzept und einer vollständigen Belegung der Dachfläche mit Photovoltaik.
Der geringste dabei zu erzielende spezifische Primärenergiebedarf liegt bei 24 kWh/(m²a), die CO₂-Emissionen bei 10 kg/(m²a), verglichen zum Jahresheiz­energiebedarf der Referenzsystem mit ca. 46 kWh/(m²a).

Zusammenfassung und Ausblick
Im Rahmen des Forschungsprojektes „SolSys“ werden solarbasierte Energieversorgungskonzepte systematisch betrachtet und mittels Simulationsstudien eine Vergleichbarkeit der untersuchten Versorgungsvarianten in Bezug auf technisch-energetische, ökologische und ökonomische Aspekte hergestellt. Ein Ziel ist es, Entscheidungshilfen zur Technologieauswahl bei der Planung und Umsetzung solarbasierter Versorgungskonzepte zur Verfügung zu stellen. Verschiedene Ansätze sollen zudem bereits in der Planungsphase bewertet werden können.
Die ersten Simulationsergebnisse am Mehrfamilienhaus zeigen, dass die größten gesamt solaren Deckungsanteile bei einer mehr Solarthermie basierenden Verteilung auf der Dachfläche erreicht werden. Dabei kann der gesamte solare Deckungsanteil nicht über 40 % gesteigert werden.
Es zeigt sich außerdem, dass das Wärmepumpenkonzept sich ökologisch güns­tiger darstellt als die Gasbrennwertvariante. Ein PV basiertes Konzept bietet ökologisch Vorteile. Basierend auf konstanten Primärenergie- und CO₂-Faktoren stellt sich das Energiekonzept mit einer Wärmepumpe umweltfreundlicher dar als das Konzept mit einem Gasbrennwertkessel. Beim Gasbrennwertkessel wird das 2-Fache an Primärenergie benötigt und die zugehörige Menge an CO₂ emittiert.
Bei den anderen Gebäudekonstel­lationen (u. a. Einfamilienhaus) und möglichen abwechselnden Rahmenbedingungen können sich abweichende Resultate ergeben. Die Unterschiede und Gemeinsamkeiten werden im weiteren Verlauf des Projektes analysiert.
Allgemein ist festzustellen, dass auch zukünftige Energiekonzepte auf den Vorlieben und der Einstellung zu unterschiedlichen Technologien, wie z. B. Solarthermie und Photovoltaik, dem Umweltbewusstsein, d. h. ökologischen Aspekten und den finanziellen Möglichkeiten und der Wirtschaftlichkeit, basieren werden.

Autoren: Franziska Bockelmann und Markus ­Peter, Technische Universität Braunschweig, ­Institut für Gebäude- und Solartechnik (IGS), Dominik Bestenlehner und Harald Drück, Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT)