Heizung und Stromversorgung mit erneuerbaren Energien

19.7.2014 Wärme- und Stromversorgung zu koppeln und für beide Anwendungen erneuerbare Energien maximal zu nutzen – darauf zielt das Projekt „Sol2Heat“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Das System verbindet eine Wärmepumpe mit thermischen Solarkollektoren als Wärmequelle, mit modularen thermischen Speichern und Photovoltaikmodulen. Dazu entwickeln die Wissenschaftler ein integriertes Energiemanagement, das den lokalen Verbrauch so weit wie möglich an die zeitlich schwankende Stromerzeugung anpasst und den Betrieb mit zeitlich variablen Strompreisen erlaubt. ‘Sol2Heat’ ermöglicht, den durch Photovoltaik erzeugten Strom vor Ort zu nutzen und das Netz zu entlasten.

Der steigende Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland bringt große Herausforderungen für die Stromversorgung mit sich: Da die Erzeugung von Strom aus den regenerativen Quellen Sonne und Wind zeitlich schwankt, müssen Differenzen zwischen Einspeisung und Verbrauch ausgeglichen werden. Eine Möglichkeit, elektrische Energie zu speichern, bilden thermische Speicher, die über Wärmepumpen geladen werden.

Das Verbundprojekt ‘Sol2Heat – Intelligente Erzeugung und Speicherung von Solarwärme und -strom zur Realisierung hoher solarer Deckungsanteile und zum Lastmanagement’ kombiniert ein Wärmepumpen-Heizsystem mit Photovoltaik und einer intelligenten Steuerung. ‘Dadurch wird es möglich, Heizung und Stromversorgung zu koppeln, den Primärenergieeinsatz zu minimieren und CO2-Emissionen zu reduzieren’, erklärt Projektleiter Tillman Faßnacht vom Fachgebiet Bauphysik & Technischer Ausbau des KIT. Dabei verbinden die Wissenschaftler ein Wärmepumpenheizsystem mit Photovoltaikmodulen, die Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umwandeln.

Alternativ setzen sie PV/T-Module ein; die Photovoltaik-Zellen und solarthermische Kollektoren kombinieren und aus der Sonnenenergie sowohl Strom als auch Wärme erzeugen. Ein innovatives modulares thermisches Speichersystem nimmt überschüssige Wärme auf und hält sie zur Nutzung bereit.

Überdies entwickeln die Forscher ein integriertes Energiemanagement. Dieses nutzt sämtliche thermischen Speicher einschließlich der Masse des Gebäudes aus, bezieht neben der Wärmepumpe und der Photovoltaik- oder PV/T-Anlage auch Haushaltgeräte ein und berücksichtigt Anreize der Energieversorger, wie beispielsweise zeitlich variable Stromtarife. Ziel ist, den Solaranteil in der Energieversorgung des Gebäudes zu maximieren, Betriebskosten zu minimieren und das Netz zu entlasten. Die intelligente Kombination verschiedener Technologien kommt damit nicht nur der Energieversorgung eines einzelnen Gebäudes, sondern auch der Einbindung in das gesamte, von erneuerbaren Energien bestimmte Energiesystem zugute.

Im Rahmen des Projekts haben die Wissenschaftler bisher eine Simulationsstudie zum Einsatz von PV- oder PV/T-Modulen in dem angestrebten System durchgeführt. Sie zeigt, dass durch den Einsatz von PV/T-Modulen als Ersatz für die bisher bei der solaren Wärmepumpe eingesetzten Solarthermie-Luft-Kollektoren zwar der Stromverbrauch des Systems steigt, aber dank der Stromerzeugung durch PV/T in der Jahresbilanz deutlich weniger Strom aus dem Netz benötigt wird. Weiter haben Sie für die Kopplung des Systems mit PV/T-Kollektoren eine Basisregelstrategie entworfen, welche die optimale Speicherung von lokal erzeugtem Strom als Wärme erlaubt.

Partner in ‘Sol2Heat’ sind neben dem fbta des KIT als Projektkoordinator und dem Heizsystemhersteller Consolar (http://www.consolar.de) das Ingenieurbüro Bickele & Bühler (http://ibb-stuttgart.de/) sowie das FZI Forschungszentrum Informatik (http://www.fzi.de). Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.