Mit Power-to-Heat in die Zukunft

Auf dem Weg zu einem neuen Strommarktdesign gilt die Sektorkopplung von Strom und Wärme als Ansatz mit großem Potenzial. Durch die angestrebte stärkere Verzahnung beider Bereiche ergeben sich zukünftig Möglichkeiten, erneuerbaren Strom im Wärmesektor zu nutzen. Eine davon ist Power-to-Heat. Hier bieten sich insbesondere ölbasierte Heizungen für eine Kombination an, denn dank der bereits vorhandenen Speicherkapazitäten sind sie ideale Partner für Erneuerbare Energien, die nur in schwankendem Maße zur Verfügung stehen.

Anstatt erneuerbare Stromerzeuger wie Windenergieanlagen zeitweise zu drosseln, kann durch Power-to-Heat-fähige Hybridheizungen deren Potenzial besser genutzt werden. Dass das Konzept funktioniert, belegen bereits Referenzobjekte des Instituts für Wärme und Oeltechnik (IWO). Doch auch Solarstrom aus der hauseigenen Photovoltaikanlage lässt sich mit Power-to-Heat nutzen. Für diese Anwendung haben das IWO und die easy Optimize GmbH nun einen zweijährigen Modellversuch gestartet.

Erneuerbarer Strom: Abnehmer fehlen
Eine der großen Herausforderungen der Energiewende ergibt sich aus einem besonderen Merkmal, das Windkraft und Photovoltaik aufweisen: Ihre Energiequellen stehen nicht immer bedarfsgerecht zur Verfügung. Um das von den jeweiligen Wetterlagen abhängige und somit schwankende Angebot möglichst gut nutzen zu können, werden einerseits Speichermöglichkeiten sowie leistungsfähige Stromnetze und andererseits die Steuerbarkeit der Stromnachfrage zunehmend wichtiger.
Bereits heute wird regional an sehr windigen Tagen mehr Strom produziert als das Netz transportieren kann. Ohne regulierende Eingriffe wären ein regionaler Anstieg von Netzfrequenz und -spannung und damit eine Schädigung von Netz und Elektrogeräten die Folge. In Spitzenzeiten müssen daher immer wieder erneuerbare Stromerzeuger aufgrund fehlender Leitungskapazitäten „abgeregelt“ werden. Der nicht produzierte Strom sorgt dennoch für Kosten, denn die Anlagenbetreiber erhalten im Rahmen des Einspeisemanagements Entschädigungszahlungen. Diese Kosten werden über die Netzentgelte gedeckt. Allein im Jahr 2015 summierten sie sich auf rund 480 Mio. Euro. 2016 dürfte es einen weiteren Anstieg gegeben haben. Da geeignete Stromspeichertechnologien auch auf längere Sicht nicht in ausreichend wirtschaftlicher Form zur Verfügung stehen werden, wird es zunehmend attraktiver, die Nachfrage nach Strom dem Angebot anzupassen.

Sektorkopplung bringt die Energiewende voran
Aus diesem Grunde ist eine Verknüpfung bzw. Sektorkopplung von Strom- und Wärmemarkt sinnvoll. Im Gebäudebereich besteht die Möglichkeit, Strom in Wärme umzuwandeln und zur Trinkwassererwärmung oder Heizungsunterstützung zu verwenden. Das kann nicht nur die Stromnetze entlasten, sondern auch fossile ­Energien einsparen.
Die Grundidee des von IWO (Institut für Wärme und Oeltechnik) entwickelten Power-to-Heat-Konzepts lässt sich wie folgt zusammenfassen: Erneuerbarer Strom, der wirtschaftlich oder technisch nicht sinnvoll genutzt werden kann, wird mittels elektrischer Heizeinrichtungen in Wärme umgewandelt und in einen Wärmespeicher eingespeist. Besonders gut geeignet für diese Anwendung sind ölbasierte Hybridheizungen.
Hybridheizungen, die die Wärmeversorgung auf mindestens zwei Säulen, z. B. Heizöl und Solarthermie, verteilen, sind ein maßgebliches Konzept zur künftigen Wärmeversorgung von Gebäuden. Diese multivalenten Systeme verbinden die Effizienz moderner Öl-Brennwerttechnik mit den Vorteilen regenerativer Energienutzung. Zentrales Element ist ein Speicher, der die Wärme erneuerbarer Energieträger bevorratet, bis sie gebraucht wird. Heizöl kommt immer dann zum Einsatz, wenn der Bedarf mit Erneuerbaren Energien allein nicht abgedeckt werden kann. Künftig könnten sich solche Systeme mit Power-to-Heat um eine weitere Komponente ergänzen lassen. Hybridheizungen, die in der Lage sind, Strom oder Heizöl als Wärmequelle zu nutzen, können ihre Stromnachfrage optimal an die jeweiligen Verhältnisse im Strommarkt anpassen – vollautomatisch und ohne jegliche Komforteinschränkungen bei den Hausbesitzern.

Keine Reservekraftwerke nötig
Der besondere Vorteil von Power-to-­Heat-fähigen Ölheizungen: Anders als etwa reine Elektroheizungen wie monovalente Strom-Wärmepumpen oder Nachtstromspeicherheizungen benötigen sie keine zusätzlichen Reservekapazitäten, die mit großem Kostenaufwand bereitgehalten werden müssten. Die deutschlandweit insgesamt rund 5,6 Mio. Ölheizungen, die sich vorwiegend im ländlichen Raum befinden, bieten ein großes, geeignetes und vergleichsweise kostengünstig zu erschließendes Potenzial. Zudem entstehen keine zusätzlichen Kosten für eine Netzinfrastruktur, da Heizöl leitungsunabhängig ist.
Dass dieses Power-to-Heat-Konzept funktioniert, zeigt unter anderem ein vom IWO betriebenes Referenzobjekt in Berlin: Das am westlichen Stadtrand gelegene Einfamilienhaus verfügt über ein modulierendes Öl-Brennwertgerät mit 5 bis 15 kW, 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 eines Stromhändlers jederzeit über das Mobilfunknetz zugreifen kann. Für den Feldtest konnte hier der Regelenergieanbieter e2m für eine Kooperation gewonnen werden. Die Heizeinrichtung des Referenzobjekts kann so Strom aus dem Netz nutzen, wenn dort gerade zu viel vorhanden ist.

Mehr Unabhängigkeit für das Eigenheim
Doch nicht nur für den Einsatz auf dem Regelenergiemarkt, wie im Falle des Berliner Beispielhauses, bieten sich ölbasierte Hybridheizungen mit Power-to-Heat an. So könnte etwa die Einführung dynamischer Stromtarife für private Stromverbraucher eine wirtschaftliche Motivation zur massenhaften Anwendung geben.
Eine weitere Einsatzmöglichkeit ergibt sich durch die gezielte regionale Nutzung von ansonsten abgeregeltem Strom, die den Druck auf den volkswirtschaftlich kostspieligen Ausbau des Stromnetzes mildern würde. Hilfreich ist hierbei, dass viele ölbeheizte Gebäude in regionaler Nähe zu Windkraftanlagen und großen Photovoltaikanlagen zu finden sind.
Darüber hinaus kann Power-to-­Heat aber auch Hausbesitzern mehr Unabhängigkeit ermöglichen – nämlich durch die Nutzung erneuerbaren Stroms aus der hauseigenen Photovoltaikanlage für die Wärmeversorgung. Diese Idee bildet den Hintergrund für den jüngst gestarteten Modellversuch. Ziel ist es, unter anderem herauszufinden, wie viel Brennstoff in Ölheizungen mittels dieser Kombination eingespart werden kann.

Besonders interessant, wenn die Einspeisevergütung endet
Die Voraussetzungen zur Teilnahme am Versuch wurden bewusst einfach gehalten: Sie bestanden aus einer Ölheizung im Keller mit einem Warmwasserspeicher sowie einer Photovoltaikanlage auf dem Dach. Um das System für Power-to-Heat aufzurüsten, wurden weitere Komponenten rund um den Energiemanager „shine“ (easy Optimize GmbH, www.shinepowered.com) installiert. Damit kann im Haushalt nicht benötigter selbstproduzierter Strom, der ansonsten ins Netz eingespeist würde, mit einem elektrischen Heizelement im Warmwasserspeicher zur Trinkwassererwärmung genutzt werden. Aus finanzieller Sicht wird diese Option für Hausbesitzer dann interessant, wenn die Einspeisevergütung der eigenen Photovoltaikanlage nach 20 Jahren endet und sie damit deutlich weniger Geld für ins Netz eingespeisten Solarstrom erhalten. Dies wird Ende 2020 für die ersten PV-Anlagen der Fall sein. Der nun gestartete Versuch soll dabei helfen, die gute Kombinierbarkeit von Ölheizungen mit Erneuerbaren Energien mit weiteren Praxiserfahrungen zu belegen.

Autoren:
Dipl.-Ing. (FH) Christian Halper,
Projektingenieur/Projektleiter
Horst Fischer, Technischer Referent
beide Institut für Wärme und Oeltechnik (IWO), Hamburg

Bilder: IWO
www.zukunftsheizen.de

www.shinepowered.com

Vorteile Power-to-Heat-fähiger Hybridheizungen

Integration Erneuerbarer Energien
Power-to-Heat-fähige Hybridheizungen ermöglichen es Hausbesitzern, komfortabel Erneuerbare Energien zu nutzen. Wenn Wind- oder Solarstrom günstig zur Verfügung stehen, werden sie eingebunden. Wenn nicht, springt die Ölheizung ein.

Stabilisierung der Stromversorgung
Die deutsche Stromversorgung ist auf ein Gleichgewicht von Stromproduktion und -verbrauch angewiesen. In sehr windigen Zeiten müssen heute Windräder gedrosselt werden, um die Stabilität des Systems nicht zu gefährden. Mit Power-to-Heat könnte dieser heute nicht produzierte Strom zukünftig an Haushalte verteilt und dort zur Wärmeversorgung genutzt werden.

Einsparung fossiler Brennstoffe im Wärmemarkt
Wenn ansonsten abgeregelter erneuerbarer Strom zur Verfügung steht, wird er von den Power-to-Heat-fähigen Hybridheizungen aufgenommen, in Wärme umgewandelt und bei Bedarf auch als Wärme gespeichert werden. Wenn später beispielsweise jemand duschen möchte, muss das warme Wasser nicht mit fossilen Brennstoffen erzeugt werden.

Keine Reservekraftwerke notwendig
Damit monovalente Strom-Wärmepumpen oder Nachtspeicherheizungen auch arbeiten können, wenn kein Wind weht, müssen fossile Reservekraftwerke bereitgehalten werden. Die Kosten dafür zahlen alle Stromkunden. Power-to-Heat-fähige Hybridheizungen erzeugen diesen zusätzlichen Bedarf nicht: Sie können jederzeit und unbegrenzt ohne Strom auskommen.

Geringe Mehrkosten im Rahmen der Heizungsmodernisierung
Die für Power-to-Heat notwendige Technik ist überschaubar und könnte im Rahmen einer Heizungsmodernisierung besonders einfach installiert werden.