Ziel der Forschungsarbeiten war die Entwicklung und Feldtest-Erprobung der neuen Speichertypen (Hochtemperatur-Steinspeicher (HTSS) und raumseitig überdämmte BTA-Speicher) für das Konzept Windheizung 2.0. 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. Unter Verwendung dieses Tools ist ein versierter Endanwender wie z.B. ein Energieberater oder Fachplaner im Rahmen einer energetischen Auslegung in der Lage festzustellen, ob bzw. mit welchen Anpassungen ein Gebäude Windheizung 2.0 geeignet ist und welche Speichergrößen zur Deckung des Heizwärme- und Trinkwarmwasserbedarfs erforderlich sind.

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. Dies ist insbesondere bei den Speichervarianten HTSS und BTA wichtig, da deren passive Wärmeabgabe (BTA) bzw. Wärmeverluste (HTSS) ansonsten zu einer Überwärmung des Gebäudes führen würde. Die Regelung gewährleistet somit, dass auch in weniger kalten Perioden die Wärmeverluste der Speicher maximal im Bereich des Wärmebedarfs des Gebäudes bleiben und damit nicht verloren, sondern nutzbar sind. In den Perioden, in denen die Speicher wie gewünscht beladen wurden, konnten die Raumlufttemperaturen meist in dem gewünschten Temperaturkorridor von max. 3 K oberhalb der Soll-(Minimal-)Temperatur eingehalten werden. Die Messungen zeigten, dass die aktivierten Bauteile nicht zu stark erwärmt werden dürfen, damit die vom Nutzer gewünschte Raumlufttemperatur nicht überschritten wird. In Zeiten mit noch nicht optimaler Regelung kam es teilweise zu höheren Überwärmungen.

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. Abgesehen von einem Luftführungsproblem am HTSS haben alle drei Speicher den Erwartungen entsprechend funktioniert. Basierend auf den verfügbaren Profilen potentieller Ladezeiten mit Überschussstrom- (Windstrom‑) Verfügbarkeit konnten an den bestehenden Versuchsgebäuden Überschussstromdeckungen von 77 Prozent bis über 90 Prozent nachgewiesen werden. Bei längeren Abständen zwischen den Überschussstrom-Ladepulsen konnten Überbrückungsdauern ohne Wärmebezug von 10 Tagen nachgewiesen werden (7 Tage bei der Sanierungs-BTA). An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass die verfügbaren Testgebäude nicht ganz den Anforderungen der Windheizung 2.0 an hocheffiziente Gebäude genügen. Es ist zu erwarten, dass bei identischer Speichergröße Gebäude, die den Windheizung 2.0-Mindestanforderungen entsprechen oder darüber hinausgehen, höhere Überschussstromdeckungen und längere Überbrückungszeiten erreichen. Welches der drei Speichersysteme für ein konkretes Gebäude geeignet ist, muss im Rahmen der individuellen Planung ermittelt werden. Der HTSS zeichnet sich durch niedrige Kosten und einen geringen Platzbedarf aus, allerdings muss zwingend eine zentrale Wohnungslüftung vorhanden sein. Da die Bauteilaktivierung ohnehin vorhandenen Gebäudemassen nutzt, ist wenig Aufstellfläche (ca. 1,5 m²) erforderlich. Bei einer Wand-BTA müssen wenige Zentimeter Raumverlust in Kauf genommen werden, bei der Deckenlösung muss genügend Raumhöhe verfügbar sein. Eine Decken-BTA bzw. Wärmeübergabe bietet im Sanierungsfall den Vorteil, dass weder Türblatthöhen noch Türzargen angepasst werden müssen, was bei Einbau einer nachträglichen Fußbodenheizung in der Regel der Fall ist. Der lediglich in den theoretischen Studien betrachtete großvolumige wasserbasierte Wärmespeicher (WWS) dürfte vor allem dort zum Einsatz kommen, wo bereits große Wasserspeicher vorhanden sind, wie z.B. bei der Ertüchtigung von Sonnenhäusern. Die Kosten des HTSS betragen 23 €/kWh, er hat ein typisches Volumen von 4-9 m³ (Einfamilienhaus) und kann mit einer mittleren Leistung von 40 kW Überschussstrom laden. Die Kosten für die Neubau-BTA betragen 141 €/m², für die Sanierungs-BTA 325 €/m². Die BTA-Systeme können mit einer mittleren Leistung von ca. 250 W/m² Überschussstrom laden. Die Kosten des WWS betragen 14 €/kWh, er hat ein typisches Volumen von 9 – 30 m³ (Einfamilienhaus). Die realisierbare Ladeleistung hängt von der Dimensionierung bzw. dem maximalen Durchfluss des Durchlauferhitzers ab; typischerweise liegt diese bei 40 – 50 kW. Verglichen mit den Kosten eines Lithium-Batteriespeichers, ca.  800 €/kWh, sind die Windheizung 2.0-Speicherlösungen somit sehr günstig.

Die unter Verwendung des neuen Auslegungstools durchgeführte Parameterstudie zeigt für die betrachteten Typgebäude Überschussstromdeckungen zwischen 80 und 90 Prozent, teilweise bis zu 100 Prozent. Grundsätzlich bestätigte sich der Zusammenhang zwischen Gebäudeeffizienz und lange Überbrückungsdauer bzw. hohem Deckungsanteil aus Überschussstrom.

Alle basierend auf den Vorgängerstudien ausgewählten Speichervarianten zeigen mit einer CO₂-Reduktion von 7 – 16 kg/(m²a) auf ihren Lebenszyklus bezogen einen ökologischen Vorteil gegenüber einem Gebäude nach GEG-Standard (Referenzszenario). Basierend auf den Bau- und Energiepreisen zum Betrachtungszeitraum Ende 2021 sind alle definierten Windheizung 2.0-Varianten wirtschaftlich darstellbar, mit Ausnahme solcher, bei denen Decken und Wände gleichzeitig aktiviert werden.

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden sinnvolle Kriterien für den mehrkriteriellen Betrieb der Technologie Windheizung 2.0 gemeinsam mit den beteiligten Netzbetreibern identifiziert. Ein Simulationsmodell für die Erstellung von netz- und marktdienlichen Betriebsempfehlungen, basierend auf historischen Wetterprognosedaten des Deutschen Wetterdienstes, Geoinformationen und Stromnetzinformationen des beteiligten Verteilnetzbetreibers LVN wurde entwickelt. Darüber hinaus wurden Vorschläge für die Flexibilisierung von Strompreisbestandteilen sowie Verfahren für die Prognose von a) transregionalen Stromeinspeisungen von Windenergie- und Photovoltaikanlagen sowie b) Börsenstrompreisen des Day-Ahead Handels der EPEX SPOT für die Deutsch-Luxemburgische Gebotszone vor Handelsschluss erarbeitet. Die Erprobung des Simulationsmodells wurde mit den Projektpartnern im Rahmen von Feldversuchen im Freiland ohne Nutzer von Dezember 2020 - Mai 2022 erfolgreich realisiert.

Das Windheizung 2.0-Konzept mit seiner Regelung, den BTA-Speichern, dem HTSS und dem WWS 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.

Insgesamt lassen sich viele Erkenntnisse des Projektes bezüglich flexibler, markt- und netzdienlicher Steuerung des Strombezuges auch auf andere potenziell flexible Stromverbraucher wie Wärmepumpen oder Elektrofahrzeuge übertragen. Der Ausbau von erneuerbaren Energien mit volatiler Erzeugung erfordert sowohl den Ausbau von Speichertechnologien als auch die Anpassung des Verbrauchs an die Erzeugung. Die Verbrauchsanpassung ist hier privat- und volkswirtschaftlich die günstigere Alternative und muss daher favorisiert werden. 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.

Kurzbeschreibung aus dem Antrag

Die von der deutschen Regierung beschlossene Energiewende, hin zu ausschließlich erneuerbaren Energieträgern, wird weitreichende Auswirkungen auf die Struktur der deutschen Energieversorgung haben, insbesondere auf die elektrischen Stromnetze. Viele der in Frage kommenden erneuerbaren Energieträger fluktuieren in ihrer Verfügbarkeit. Sie können dem vorhandenen Verbrauchsprofil nicht angepasst werden. Eine Möglichkeit um trotzdem die erforderliche Deckung zwischen Erzeugung und Verbrauch gewährleisten zu können, ist die Anpassung des momentanen Verbrauchsprofils durch Lastabwürfe und Lastvorgriffe, wie sie teilweise bereits auf dem Regelenergiemarkt praktiziert wird. Der deutsche Gebäudebestand, mit seiner sehr großen thermischen Speichermasse, bietet hierfür enorme Potentiale. Da Windkraft im Stromnetz der Zukunft eine wichtige Rolle spielen wird, und diese verstärkt im Winter in Form von Starkwindereignissen vorhanden ist, fallen Heizwärm-Bedarf von Gebäuden und Überschussstrom-Verfügbarkeit zeitlich sehr eng zusammen. Ziel des hier beschriebenen Forschungsvorhabens ist es, unterschiedliche Bauformen von Langzeit-Hochtemperatur-Steinspeichern und bauteilintegrierten Langzeitspeichern BTA (thermisch aktivierte Innenwände/Decken) zur Nutzung von Windstrom-Überproduktionen oder anderen, stromnetzsystemverträglichen Strommengen zur Gebäudebeheizung zu entwickeln und zu optimieren. Hierzu muss die Speichergröße (Kapazität) dem Heizenergiebedarf des hocheffizienten Gebäudes für den Zeitraum ein bis zwei Wochen angepasst und entsprechende netzdienliche Be- und Entladeregelungsalgorithmen entwickelt werden.

Peer-Reviewed

Sonstige Veröffentlichungen (Tagungsbeiträge, Poster etc.)