Forschungsvorhaben »Windheizung 2.0: Langzeit-Speicher«

Lösungen zur Umsetzung eines Windheizung 2.0-Gebäudes
© Bayerisches Landesamt für Umwelt
Mögliche Lösungen zur Umsetzung eines Windheizung 2.0-Gebäudes mit großem Warmwasserspeicher (A), Bauteilaktivierung (B) und zentralem Hochtemperatur-Steinspeicher (C).

Die Windenergie stellt mittlerweile in Deutschland den größten Anteil an der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien dar. Vor allem durch Starkwindereignisse herrscht im Winter im deutschen Stromnetz häufig ein Überangebot, das dann zu niedrigen bis negativen Preisen an der Strombörse führt. In manchen Regionen müssen Windkraftanlagen zur Sicherung der Netzstabilität reduziert oder zeitweise komplett abgeregelt werden. Gebäude in Deutschland bieten mit ihren großen thermischen Speichermassen enorme Potentiale als thermische Langzeitspeicher. Da Windkraft im Stromnetz der Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird und diese überwiegend im Winter in Form von Starkwindereignissen überschüssig vorhanden ist, fallen der Heizwärmebedarf von hocheffizienten Gebäuden und die Verfügbarkeit von Überschussstrom zeitlich eng zusammen. Dadurch können die Windheizung 2.0-Gebäude der Zukunft durch die Erzeugung von Wärme (power-to-heat) aus erneuerbarem elektrischen Überschuss-Strom ihren Energiebedarf umwelt- und systemverträglich decken und gleichzeitig zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende beitragen. Die Systemverträglichkeit entsteht für das Stromnetz auch aus der Tatsache, dass Windheizung 2.0 Gebäude während längerer Phasen mit hoher Netzauslastung (ein bis zwei Wochen) auf den Bezug von Heizstrom verzichten können.

Ergebnisse des Forschungsprojekts

Im Rahmen des Forschungsvorhabens »Windheizung 2.0: LZ-Speicher« wurden unterschiedliche Bauformen von Langzeit-Speichern (Hochtemperatur-Steinspeicher (HTSS) und raumseitig überdämmte BTA-Speicher) für das Konzept Windheizung 2.0 entwickelt und am Feldtest erprobt. Parallel wurde für die Windheizung 2.0-Speicher ein prädiktives Regelungssystem erarbeitet und in den Versuchen erprobt. Außerdem wurde ein Auslegungsverfahren für Windheizung 2.0-Gebäude entwickelt und dieses in ein entsprechendes Auslegungstool integriert. Die im Rahmen dieses Vorhabens entwickelte prädiktive Regelung lernt auf Basis von Temperatur- und Verbrauchswerten selbstständig die Charakteristik des Gebäudes und nutzt eine Wettervorhersage, um den Wärmebedarf des Windheizung 2.0-Gebäudes für die kommenden 7,5 Tage vorherzusagen (maximaler Wetterprognosezeitraum). Die Beladung des Speichers wird so von der Regelung automatisch an diese Bedarfsprognose angepasst. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Speicher immer nur so weit beladen werden, wie zur Deckung des Wärmebedarfs in der folgenden Woche nötig ist. Die drei neuen Speichertypen (der BTA-Speicher für den Sanierungsfall, der BTA-Speicher für den Neubau und der HTSS) wurden konzipiert, ausgelegt und in realen Gebäuden auf dem Freiland-Versuchsgelände des Fraunhofer IBP installiert. 

Aktuelles und Ausblick / Stand des Projekts

Das Windheizung 2.0-Konzept mit seiner Regelung, den BTA-Speichern, dem Hochtemperatur-Steinspeicher HTSS und dem wasserbasierten Wärmespeicher wird ab dem Jahr 2023 an vier bewohnten Gebäuden im Rahmen eines Demo-Vorhabens über zwei Messwinter weiter evaluiert. Dieses Vorhaben wird vom BMWK unter dem Förderkennzeichen 03EN6013(A) gefördert.

Generell hängt die Umsetzung der Windheizung 2.0 und aller anderen Flexibilisierungslösungen davon ab, dass politisch und energiewirtschaftlich die Rahmenbedingungen dafür geschaffen werden, dass eine möglichst große Anzahl von (Strom-) Verbrauchern, die sich flexibilisieren können, entsprechend ausgeprägt für ihr stromsystemdienliches Verhalten honoriert werden.
Das Windheizung 2.0-Planungstool kann unter https://ibpupdateservice.eneff06.de/ClickOnce/Windheizung/ToolWindheizung.application kostenfrei heruntergeladen werden.

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Präsentation zum Projekt Windheizung 2.0

Das Konsortium

Neben Industriepartnern aus den Bereichen der Bauteilaktivierung und Speichertechnologien (CONCRETE Rudolph GmbH, Klimatop GmbH, Rath GmbH, Bundesverband Kalksandsteinindustrie e. V.), der Heiz- und Regelungstechnik (Klöpper-Therm GmbH & Co. KG, tekmar Regelsysteme GmbH) sowie Netzbetreibern bzw. Energieversorgern (TenneT TSO GmbH, LEW Verteilnetz GmbH, Lechwerke AG) unterstützt das Zentrum für Innovative Energiesysteme der Hochschule Düsseldorf (ZIES) das Forschungsprojekt im Bereich Wirtschaftlichkeitsanalysen und Netzsignale. Ergänzend wird das Projekt durch den Freistaat Bayern, vertreten hier durch das Bayerische Landesamt für Umwelt (LfU) und das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) fachlich und finanziell gefördert.