Das Eigenheim als Energiespeicher

In dieser Woche fand in Düsseldorf der Energy Storage Summit statt, bei dem Experten über Möglichkeiten zur Speicherung von Energie im großen Stiele Gedanken austauschten. Aus den Presseberichten und Meldungen ist leider sehr wenig zu entnehmen, was der Otto-Normalbürger mitnehmen kann. Dabei steckt doch kein unerhebliches Potential von Speicherkapazität in jeder Wohnung oder Haus… 

Hinter der Suche nach einer Speicherform für Energie steckt ein hohes wirtschaftliches Interesse. Im Gegensatz zu klassischen Energieträgern wie Öl, Gas, Uran oder Kohle kann Energie in der Form von Strom nur schwer gespeichert werden. Gelöst wird diese Herausforderung durch Techniken wie die Umwandlung von Strom in Wasserstoff, welcher gelagert und später wieder zurück “verstromt” werden kann. Oder die bekannteste Form sind Pumpspeicherkraftwerke, die bei Überproduktion einen höher gelegenen Wasserspeicher füllen und bei Bedarf diesen zur Stromerzeugung leeren . Alle bekannten Techniken sind aber mit gewissen Verlusten behaftet und bringen Nebeneffekte mit sich.

Die Notwendigkeit Energie in der Form von Strom zu speichern ist jedoch nicht neu, denn bereits bei der ersten Energiewende (Einführung der Atomkraft), konnten mehr oder weniger nur konstante Mengen produziert werden. In der Nacht, wenn die Abnahme am geringsten ist, war eine Überproduktion vorhanden, die abgebaut werden musste. Die Folge war eine zunehmende Verbreitung von Nachtspeicherheizungen. Als Anreiz wurde dem Endkunden ein Hochtarif (Tag) und Nebentarif (Nacht) angeboten und damit der Zeitpunkt des Bedarfs geregelt. Zu Spitzenzeiten hatten 1,7 Millionen Haushalte auf diese Art geholfen die Lasten zu verteilen. Doch seit dem Jahre 2008 wird die systematische Abschaffung von Nachtspeicherheizungen vorangetrieben. Ein Element der Bedarfssteuerung geht zunächst verloren…

Gründe für die Abschaffung von Nachtspeicherheizungen gibt es wirklich viele. Hauptargument ist die schlechte Effizienz. Eines haben diese Systeme jedoch schon damals gezeigt: Strom umgewandelt in Wärmeenergie für das Eigenheim funktioniert als Speicher.

Mittlerweile sind wir im Jahr 2012 angekommen, ein Jahr nach dem Bekenntnis zur zweiten Energiewende. Diese Wende ist gekennzeichnet durch den Ausstieg aus der Atomkraft (Konstante Erzeugung von Strom) hin zu regenerativen Energieträgern (schwankende Erzeugungsmengen von Strom). Konnte man im Atomzeitalter im wahrsten Sinne des Wortes die Uhr danach stellen, wann es zu Überproduktionen kommt – und dies über Jahre im Voraus – so ändert sich die produzierte Strommenge aus den beiden Energieträgern Wind und Sonne so schnell wie das Wetter. Ein einfaches System, welches per Zeitschaltuhr eine Nachtspeicherheizung aktiviert ist da wenig hilfreich. Benötigt wird ein Kommunikationssystem welches Erzeugung und Bedarf gegenseitig abstimmen und regeln kann. In anderen Worten, das Stromnetz benötigt mehr Intelligenz, auch bekannt als SmartGrid.

Was den Berichten vom Energy Storage Summit fehlen, ist die Vision die Idee hinter den Nachtspeicherheizungen in die Konzepte und Lösungsvorschlägen zu integrieren. So zumindest mein persönlicher Eindruck nach Betrachten des Interviews mit Achim Zerres (Bundesnetzagentur):

Die einzigen Konzepte zur Einbeziehung der Privathaushalte in die Lösung der Energiespeicher-Problematik, scheint die Technologie rund um die Eigennutzung von erzeugtem Strom aus Photovoltaik zu sein. Bei diesem Ansatz wird die erzeugte Strommenge einer PV-Anlage im Haus gespeichert zur späteren Nutzung. Die Speicherkapazität, ist jedoch mit ca. 7 kWh eher gering. Deutlich mehr Energie steckt in der Wärme des Hauses oder der Wohnung. Zum Vergleich 7 kWh entspricht in etwa dem Tagesbedarf einer Wärmepumpe  über ein ganzes Jahr gemittelt (180m² zu beheizenden Fläche, 450 Liter Warmwasserspeicher, hochgedämmt). Im Winter bei starken Minustemperaturen kann trotz hoher Effizienz des Systems der Bedarf auf deutlich über 15 kWh ansteigen. Wobei die erzeugte Last zum Heizen auf den ganzen Tag verteilt ist und somit die Eigenschaft des Speicherns von Energie nicht zunutze gemacht wird. Erkennbar ist dies auch an der Tarifgestaltung für Wärmepumpen, die übertragen auf ein Auto bedeuten: Es wird immer um 17:00 Uhr vollgetankt, unabhängig davon wie voll der Tank noch ist. Dabei kann man beim Wärme-Energiebedarf eines Hauses/Wohnung sogar in die Zukunft schauen mit einer deutlich besseren Prognosequalität als beim Wetter.

Die Dämmung entscheidet über die Speicherqualität

Die Dämmung entscheidet über die Speicherqualität

Die Güte des Energiespeichers Eigenheim ist vor allem von dessen Dämmung abhängig. Des weiteren von der Außentemperatur und den Windverhältnissen. Egal, ob es sich um ein hoch isoliertes Haus oder ein Altbau handelt, der Energieverlust ist eine konstante Größe für dieses Objekt in Abhängigkeit zur Außentemperatur und der Raumtemperatur.

Ebenfalls relevant für die Speicherung von Energie in Form von Wärme in der Wohnung/Haus ist die Trägheit der Heizanlage selbst. Eine Fußbodenheizung mit einer niederen Vorlauftemperatur braucht einige Stunden, um die Temperatur des Raumes zu verändern, da unter anderem erst der Estrich aufgeheizt werden muss, der selbst nach Abschaltung des Heizvorgangs eine speichernde Wirkung besitzt und noch Wärme abgibt.

Mit Hilfe einer Heimautomatisierung lassen sich Eigenschaften des Speichers “Wärme” recht bequem und genau ermitteln, indem über einen Zeitraum von einigen Tagen die Außentemperatur, die verschiedenen Raumtemperaturen und der Stromverbrauch der Wärmepumpe in ein Verhältnis gesetzt werden. Im Selbstversuch konnte mit diesem Vorgehen der Verbrauch von 10 kWh in einem Zeitfenster von 24 Stunden bei 2 Stunden Last (je 5 kWh) geschoben werden. Die Auswirkung auf die Raumtemperatur waren dabei jeweils im Bereich der Hysterese von +/- 0.5°C. Vereinfacht übernimmt die Heimautomatisierung das Einschalten der Heizung in einem Raum, sobald dieser unter die Zieltemperatur (Beispiel: 21°C) absinkt. Wobei durch die Trägheit des Systems zunächst die Temperatur weiter absinkt (bis 20,5°C) und dann ansteigt auf den Maximalwert (21,5°C) bevor die Heizung wieder abgeschaltet wird.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass eine heutige Wärmepumpe zusätzlich die Differenz aus Vorlauf- und Rücklauftemperatur misst um die ideale Temperatur des Wärmeträgers (Wasser) für die Erreichung einer bestimmten Raumtemperatur zu erzielen. Dies dient allerdings lediglich zur Steigerung der Effizienz selbst und kann für die weitere Betrachtung der Speichereigenschaften für Energie ignoriert werden.

Bei den heute installierten Wärmepumpen wird versucht fast eine konstante Temperatur über den gesamten Tagesverlauf zu halten. Schwankungen für eine Nachtabsenkung, wie es sie bei Öl- und Gasheizungen bekannt sind werden vermieden, da die Trägheit des Systems auch wegen seiner Speicherfähigkeit zu hoch ist. Des weiteren wird verhältnismäßig viel Energie benötigt um die Temperatur zu steigern, anstelle diese lediglich konstant zu halten.

Erlaubt man allerdings eine höhere Schwankung in der Temperatur, so lässt sich mehr Energie auf eine längere Zeit speichern. Im Gegensatz zum einfachen Fall von oben könnte für Wohnräume eine Schwankung zwischen 21°C und 24°C erlaubt werden.

Wärmeverlust über 6 Stunden

Wärmeverlust über 6 Stunden

Genutzt wird bei dieser Annahme, dass der Verlust über einen Zeitraum einen nahezu konstanten Verlauf aufzeigt. In der Grafik wird eine Wärmeeinheitenmessung für ein Objekt gezeigt, bei einer konstanten Außentemperatur in der Nacht (6 Stunden Dauer). Dieses Szenario wurde gewählt, um den Effekt der Wärmegewinnung durch Sonneneinstrahlung zu verhindern und dadurch ein genaueres Ergebnis zu erhalten.

Der Steigungsfaktor der Kurve ist hauptsächlich von der Außentemperatur abhängig. Störfaktoren, wie das Öffnen eines Fensters sind vorhanden, aber für die Prognosegüte vernachlässigbar. Im Schaubild ist in der 3. Stunde der Messung die Auswirkung eines solchen Ereignisses sichtbar.

Kombiniert man die höhere Temperaturschwankungen (Speicherkapazität) und den Wärmeverlust (Nutzung) miteinander, so lässt sich ein vereinfachtes Schema des Energiespeichers erstellen.

Entlade und Ladezyklus

Entlade und Ladezyklus

Die typischen Kennzeichen, die bei den anderen Speicherformen vorhanden sind, können bei der Wärme auch ermittelt werden. Zu jedem Zeitpunkt kann zwischen Laden und Entladen gewechselt werden. Solange sich die Raumtemperatur innerhalb der gesetzten Grenzen bewegt, ist die Dauer der Entladung variabel und die Intensität des Ladens kann theoretisch gesteuert werden (Schnellaufheizung).

Für den Fall, dass die zulässige Schwankung auf 3 Grad erhöht wird, konnte bei einem durchschnittlichen Neubau eine Dauer von über 100 Stunden ermittelt werden zwischen vollständiger Ladung und Entladung des Energiespeichers. In anderen Worten wurde die Abnahme einer Strommenge von 21 kWh in diesem Zeitraum geschoben.

Rechnet man diese Zahl nun hoch auf eine mittlere Gemeinde (10.000 Haushalte), so ergibt sich eine Speicherkapazität von 21 MWh. Ein Pumpspeicherkraftwerk mit der gleichen Kapazität würde in Deutschland bereits auf Platz 26 im Ranking landen.

Um eine Wärmepumpe in die Lage zu versetzen die notwendige Fernsteuerung zu ermöglichen, ist eigentlich nicht viel Hardware notwendig. Ohne Montage dürften die Kosten hierfür unter 100€ je Stück liegen, oder 1 Millionen Euro für 10.000 Haushalte. Ein Betrag, der für die Speicherung von 21 MWh mit Sicherheit nicht sonderlich hoch ist.

Den Beitrag "Das Eigenheim als Energiespeicher offline Lesen:

8 Gedanken zu „Das Eigenheim als Energiespeicher“

  1. Ein sehr guter und ausführlicher Artikel und sehr gut, dass sich auch ein anderes Blog dem Speicherthema annimmt. Aber mein Eindruck ist, dass Wärme- und Stromspeicher hier durcheinander gebracht werden. Das mindert den guten Eindruck des Artikels. Allerdings wird es schwerer zu trennen, wenn die Wärmepumpe Speicherfunktionen übernehmen soll, dann wird auch das Gebäude selbst zum Speicher.

    1. Hallo Andreas,

      erst einmal danke für das Feedback. Natürlich hast Du recht, dass das Thema Wärmespeicher und Stromspeicher vermischt betrachtet wird. Genau genommen ist es auch kein Speicher, sondern ein vorweg genommener Verbrauch. Denke aber, dass es zur Veranschaulichung so besser verständlich ist.

      Was mich aber viel mehr interessiert: Du schreibst “ein anderes Blog” …. kannst Du einen Link teilen?

      Danke,
       Thorsten

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