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Elektrische und thermische
Energiespeicher
Technischer Stand, Trends und Marktanalyse 2012
Herausgeber: Verband Sächsischer Wohnungsgenossenschaften e. V.
Verfasser: Constance Backhaus
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung...............................................................................................................................3
2 Potenziale der Energiespeicherung........................................................................................3
2.1 Klassifizierung von Energiespeichern..............................................................................3
2.2 Technologie der elektrischen Energiespeicherung..........................................................5
2.2.1 Lithium-Ionen-Akkumulator......................................................................................6
2.2.2 Blei-Akkumulator......................................................................................................8
2.2.3 Natrium-Schwefel-Akkumulator...............................................................................9
2.2.4 Redox-Flow-Batterie..............................................................................................11
2.2.5 Elektromagnetischer Energiespeicher (SMES)......................................................14
2.2.6 Elektrochemischer Energiespeicher.......................................................................15
2.2.7 Wasserstoffspeicher..............................................................................................15
2.2.8 Zusammenfassung und Bewertung elektrischer Energiespeicher..........................16
2.3 Technologie der thermischen Energiespeicherung........................................................17
2.3.1 Thermochemischer Energiespeicher......................................................................18
2.3.2 Kapazitiver (sensibler) Wärmespeicher..................................................................21
2.3.3 Latentwärmespeicher............................................................................................26
3 Marktanalyse........................................................................................................................28
3.1 Firmen für elektrische Energiespeicher.........................................................................29
3.2 Firmen für thermische Energiespeicher.........................................................................30
4 Exkurs: Das Mehrfamilienhaus als Kraftwerk.......................................................................35
Quellenverzeichnis..................................................................................................................37
Anlage.....................................................................................................................................41
Anlage 1: Bosch. Mehrfamilienhaus als Energieplushaus. (2010)..................................41
Anlage 2: Solarsiedlung in Oberburg..............................................................................41
Anlage 3: Mehrfamilienhaus in Moosburg.......................................................................41
Anlage 4: Solaranlage in einem Mehrfamilienhaus der GEWOBAU–Erlangen...............41
Anlage 5: „Sonnenstrom für Umweltbildung“...................................................................41
Anlage 6: Klein-Blockheizkraftwerke. Wenn die Heizung Strom erzeugt.........................41
2
1 Einleitung
Energiespeicher dienen dazu, die Erzeugung von Energie und den tatsächlichen Verbrauch in
einem Energieversorgungssystem auszugleichen. Die technischen Speichermöglichkeiten sind
vielfältig, jedoch gibt es bis dato keinen „Universalspeicher“, „...mit dem ein Großteil des
Speicherbedarfes zufriedenstellend bedient werden kann“ (Oertel 2008: 4). Je nach
Speichermedium kann die Speicherdauer von einigen Sekunden bis sogar Jahre erfolgen. Für
den Betreiber und Nutzer ist darüber hinaus von Relevanz, welche technischen und
wirtschaftlichen Vor- und Nachteile die einzelnen Speicher mit sich bringen (vgl. Völler 2003:
27).
Die Europäische Union und insbesondere Deutschland nehmen eine Vorreiterrolle im Ausbau
der erneuerbaren Energien ein, sodass die Energiespeicherung hier zukünftig ein noch
wichtigeres Thema darstellen wird. Förderlich ist bspw. die Bedeutungszunahme an
Hybridfahrzeugen oder der Wasserstoffinfrastrukturen, deren Entwicklung laut Radgen (2007)
auch die der Energiespeichertechnologien vorantreibt. So prognostiziert er (Radgen 2007: 1),
dass sich „Mittelfristig [...] eine verstärkte Nachfrage nach Stromspeichertechnologien
ergeben“ wird.
Die vorliegende Arbeit thematisiert die Potenziale der Energiespeicherung und legt dabei den
Fokus auf Wärme- und Stromspeicher. Im Anschluss daran erfolgt eine Marktanalyse,
inwieweit sächsische Firmen thermische und elektrische Energiespeicher anbieten, welche
Speicher sie anbieten und zu welchem Preis. Zusätzlich wurde berücksichtigt, dass diese
Speicher für bestehende Häuser mit 30 bis 40 Wohneinheiten nachrüstbar sind.
Zum Schluss befasst sich ein kurzer Exkurs mit den Potenzialen eines Mehrfamilienhauses als
kleines Kraftwerk, welche Möglichkeiten dabei finanziell sinnvoll erscheinen und führt Beispiele
von Mehrfamilienhäusern an, die selbst Energie erzeugen.
2 Potenziale der Energiespeicherung
2.1 Klassifizierung von Energiespeichern
Energiespeicher können in vier Arten unterteilt werden: mechanische, chemische, elektrische
und thermische Speicher. Tabelle 1 stellt dar, welche grundlegenden Speichertypen im Jahre
2009 vorhanden sind, in welcher Form sie die Energie speichern und wie die
Energiespeicherung erfolgt (vgl. Mauch et al. 2009: 4).
3
Tabelle 1: Übersicht der Art der Energiespeicherung nach Fabian (1996) (vgl. Mauch et al.
2009: 4):
Einteilung
mechanisch
chemisch
elektrisch
thermisch
Anlage / Medium
Energieform der Speicherung
Schwungrad
Kinetische Energie der rotierenden Masse
Pumpspeicher
Potenzielle Energie des Wassers
Druckluftspeicher
Kinetische Energie des Gasdrucks
Batteriespeicher
Chemische Energie durch Redoxreaktion
Wasserstoff
Chemische Energie durch Redoxreaktion
Spule
Elektrische Energie im magnetischen Feld
Kondensator
Elektrische Energie im elektrischen Feld
Wärmespeicher
Thermische Energie in Teilchenbewegung
Batterien und Wasserstoff werden bei Fabian (2006) der chemischen Speicherart zugeordnet.
Da sie aber letztlich elektrische Energie speichern, finden sie daher in dieser Arbeit bei den
Stromspeichern Erwähnung.
„Der Einsatz der unterschiedlichen Technologien ist abhängig vom Leistungs- und
Energiebedarf, [der Speicherdauer, der erforderlichen Lade- und Entladeleistung, der
Zyklenzahl und weiteren Rahmenbedingungen, wie z. B. Platzangebot]. Wesentlich dabei sind
vor allem ökonomische Überlegungen, die von den Kosten pro installierter Energie- und
Leistungskapazität und insbesondere der erreichbaren Lebensdauer beeinflusst werden.“
(Mauch et al. 2009: 3f.)
Wie bereits erwähnt ist ein wichtiges Kriterium bei der Wahl der Speicher die Zeitdauer, „die
der Speicher unter Volllast zum Ausspeichern benötigt“ (Völler 2003: 29). Dabei wird in
Kurzzeit-, Mittelzeit- und Langzeitspeicher differenziert. Nach Völler (2003) liegt die
Versorgungsdauer bei Kurzzeitspeicher bei unter 30 Minuten, bei Mittelzeitspeicher bei zwei
Stunden bis einige Tage und bei Langzeitspeicher mehr als zwei Wochen, wobei die
Übergänge zwischen den Bereichen fließend sind. Im Bereich der Kurzzeitspeicherung
können laut Bodach (2006) u.a. supraleitende Spulen, Doppelschichtkondensatoren,
Schwungräder, Natrium-Schwefel-Batterien und Redox-Flow-Batterien zum Einsatz kommen.
Als Mittelzeitspeicher empfehlen sich u.a. Natrium-Schwefel-Batterien, Redox-Flow-Batterien
und Druckluftspeicher, als Langzeitspeicher ebenfalls Druckluftspeicher.
Ferner kann eine Unterscheidung in Leistungs- und Energiespeicher vorgenommen werden,
4
welche sich im Lade- und Entladeverhalten zeigt. Leistungsspeicher haben kurze
Ausspeicherzeiten
bei
einer
hohen
Leistung
und
sind
zumeist
Kurzzeitspeicher.
Energiespeicher haben hingegen lange Ausspeicherzeiten mit einer großen Energiemenge
und entsprechen den Langzeitspeichern.
Deutlich wird dies auch in den Kosten und ist somit für den Verwendungszweck von
Bedeutung. „Leistungsspeicher haben sehr hohe Kosten, wenn sie viel Energie bereitstellen
sollen. Aus diesem Grund verwendet man zum Beispiel Kondensatoren nur als Speicher zur
kurzzeitigen Leistungsbereitstellung. […] Pumpspeicher, Druckluftspeicher und zum Teil auch
Redox-Fluss-Batterien liegen sowohl bei den Leistungs- als auch Energiekosten im unteren
Bereich.“ (Völler 2003: 30)
Die weiteren Ausführungen befassen sich mit den elektrischen und thermischen Speichern, die
so genannten Strom- und Wärmespeicher.
2.2 Technologie der elektrischen Energiespeicherung
„Elektrische Energie kann direkt nur sehr schlecht gespeichert werden. Dies wird heute in der
Energieversorgung nur über Spulen und Kondensatoren realisiert. Eine weitere Möglichkeit zur
Speicherung ist die Umwandlung in andere Energieformen“ (Völler 2003: 28, vgl. Oertel 2008:
4), ehe sie gespeichert wird. Bei Bedarf wird die Energie wieder in elektrische umgewandelt,
was
wiederum
„...
mit zusätzlichem Energieaufwand und Umwandlungsverlusten
verbunden [ist]“ (Oertel 2008: 4).
Der Fokus im Zusammenhang mit Akkumulatoren liegt gegenwärtig vor allem im Bereich
portabler und mobiler Anwendungen. Jedoch gewinnt der stationäre Einsatz zunehmend an
Bedeutung, was sich in einer Reihe von interessanten Projekten und Forschungsvorhaben, vor
allem im Zusammenhang mit der Netzeinspeisung von Windenergie, weltweit manifestiert.
[…] “ (Mauch et al. 2009: 9f.).
Im Folgenden werden die verschiedenen Möglichkeiten der elektrischen Energiespeicherung
vorgestellt.
5
2.2.1 Lithium-Ionen-Akkumulator
„Lithium-Ionen-Akkumulatoren sind elektrochemische Spannungsquellen auf der Basis von
Lithium. [...]
Der Li-Ionen-Akku zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Seine nutzbare
Lebensdauer beträgt mehrere Jahre; allerdings ist dies stark von der Nutzung und den
Lagerungsbedingungen abhängig. Li-Ionen-Akkus werden typischerweise zur Versorgung
tragbarer Geräte mit hohem Energiebedarf eingesetzt, z. B. Camcorder oder Laptops.
In letzter Zeit sind zudem Anwendungen von Zellen mit 40 Ah im Bereich der Elektrofahrzeuge
in die Diskussion gekommen. Li-Ionen-Akkus sind in vielfältigen Bauformen verfügbar. Der
Preis für Li-Ion-Akkus betrug anfänglich ca. das Doppelte von NiMH-Batterien, ist aber in den
letzten Jahren (1998) auf 0,8 bis 1,2 US$/Wh gesunken. Im Jahre 2000 wurden weltweit ca.
540 Mio. Zellen ausgeliefert“ (Radgen 2007: 16).
„Der Aufbau von Li-Ionen-Akkus besteht aus der negativen Grafitelektrode als aktivem
Material. Die positive Elektrode enthält meist Lithium-Metalloxide in Schichtstruktur, sie besteht
aus einem Metalloxid (MOx), in denen eine bestimmte Anzahl Li-Ionen zwischen den Ebenen
des Kristallgitters reversibel eingelagert werden kann (LiMOx). In der Praxis wird vorwiegend
LiCoO2 verwendet. Der Li-Ionen-Akku muss komplett wasserfrei sein (Gehalt an H2O
<20ppm), da sonst das Wasser mit dem Leitsalz LiPF6 zu HF (Flusssäure) reagiert.
Beim Laden, d. h. beim Anlegen eines äußeren Potenzials, wandern Lithium-Ionen zwischen
die Graphitebenen. Beim Entladen wandern die Lithium-Ionen zurück in das Metalloxid und die
Elektronen können über den äußeren Stromkreis zur positiven Elektrode fließen. Der
nichtwässrige Elektrolyt besteht aus organischen Lösemitteln, in dem Leitsalze gelöst sind.“
(Radgen 2007: 16f.)
6
Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau eines Li-Ionen-Akkus (vgl. Tübke 2007)
„Die Elektrolytlösungen bestehen aus hochreinen, wasserfreien, organischen Lösemitteln wie
z. B. Propylencarbonat (PC), in denen Leitsalze wie z. B. LiClO4 gelöst sind.
Zusätze von niedrigviskosen Lösungsmitteln erhöhen die Ionenbeweglichkeit und entsprechend die Leitfähigkeit.
Die Zellspannung beträgt ca. 3,6 V, wobei die Betriebstemperatur im Bereich um 20 °C liegen
sollte. Praktisch werden derzeit spezifische Energiedichten von 90 – 160 Wh/kg (200-300
Wh/l) erreicht. Die Selbstentladung beträgt ca. 5-10 % pro Monat. Die Anzahl der möglichen
Zyklen ist derzeit noch begrenzt und beträgt ca. 500 bis 1200, ein relativ niedriger Wert für die
Integration dieser Speicher in die Stromnetze. Der energetische Wirkungsgrad beträgt ca. 7090 %. Wegen des hohen Energieinhaltes können innere und äußere Kurzschlüsse zu Bränden
oder Explosionen führen. Aufgrund von Zwischenfällen werden heutige Zellen mehrfach
abgesichert. Üblich sind Stromunterbrechung bei Überdruck, Sicherheits-Ausblasöffnung,
Thermoschalter,
elektronische
Kontrolle
(Überlast,
Temperatur,
Ladespannung,
Unterspannung) und zusätzliche mechanische Strom-Sicherung.“ (Radgen 2007: 17)
„Die Vorteile der Li-Ionen-Akkus sind ihre hohe spezifische Energie und gute Lagerfähigkeit.
Der Li-Ionen-Akku kennt keinen "Memory–Effekt", er kann in 2 bis 4 Stunden wieder
aufgeladen werden. Nachteilig sind die im Vergleich mit wässrigen Systemen geringe LadeEntladeströme.“ (Radgen 2007: 18)
Lithium-Ionen-Akkumulatoren gehören zu den klassischen Batteriespeichern, die seit
7
längerem im Einsatz und bereits ausgereift sind. „Sie sind meist preiswert und wartungsarm,
haben jedoch [, wie bereits erwähnt,] schlechte Wirkungsgrade und geringe Zyklenzahlen.
Zudem sind ihre Baugrößen meist auf mobile Anwendungen ausgelegt. Für stationäre
Anwendungen müssen daher viele Einheiten zusammengeschlossen werden“ (Völler 2003:
38, vgl. Hauck 2003).
„Marktanalysten gehen davon aus, dass der Markt für Lithium-Akkumulatoren bis 2010 mit 6 –
7 %/a wächst (vgl. Frost/Sullivan 2005a, Frost/Sullivan 2005b, Powerelectronics 2008). Geht
man für die Zeit danach von einer leichten Abschwächung der Wachstumsrate auf 5 %/a aus,
errechnet sich bis 2030 ein Marktvolumen für Lithium-Akkumulatoren das um das 3,4-fache
über dem von 2006 liegt“ (Angerer et al. 2009: 172).
Dennoch stehen einer breiten Einführung im stationären Bereich „...die heute noch hohen
Kosten im Bereich von 500 bis 1000 €/kWh im Wege“ (Mauch et al. 2009: 11).
Weiterhin von Bedeutung ist das Temperaturfenster, in dem der Betrieb stattfinden sollte. Bei
tiefen Temperaturen treten Korrosion auf, bei hohen Temperaturen Alterungseffekte und ggf.
Sicherheitsrisiken. Durch die Korrosion bei tiefen Temperaturen verringert sich auch die
Zyklenanzahl. Ebenso sind sie „empfindlich gegen Über- und Unterspannungen. Bei
Überladung wird die Zelle beschädigt und es kann unter Umständen sogar zum 'Thermal
Runaway', einer exotherm ablaufenden chemischen Reaktion und somit zu einer Zerstörung
kommen. In der Regel sind die Zellen durch ein Batteriemanagementsystem gegen solche
Ereignisse geschützt.“ (Mauch et al. 2009: 19f.)
2.2.2 Blei-Akkumulator
Blei-Akkumulatoren gehören neben den Lithium-Ionen-Akkumulatoren zu den klassischen
Batteriespeichern.
Sie sind „...die am weitesten verbreitete Speichertechnologie. Die heutige Energiedichte
beträgt ca. 40 kg/kWh bzw. 20 l/kWh. Der Speicherwirkungsgrad liegt typischerweise zwischen
80 und 90 % bei einer Lebensdauer von 3 bis 12 Jahren, je nach Betriebsbedingungen. Die
Zyklenlebensdauer liegt meist zwischen 50 und 2000“ (Radgen 2007: 15), wobei nur
Vollzyklen durchgeführt werden sollten, um einen Leistungsverlust zu vermeiden (vgl. Mauch
et al. 2009: 19f.). Sie haben eine hohe Verfügbarkeit und ihre Einsatzmöglichkeit liegt in einem
großen Temperaturbereich (vgl. ebd.: 11).
Sie weisen jedoch ein hohes Gewicht auf (vgl. Radgen 2007: 15). Ferner erfolgt bei hohen
Spannungen eine hohe Selbstentladung. „Zusätzlich treten Vergasungseffekte auf. Bei tiefen
Temperaturen kann der Elektrolyt einfrieren und es können mechanische Schäden auftreten.
8
[…] [Auch] kann [eine] Tiefentladung eine Korrosion verursachen. Eine Überladung führt zu
einem Spannungsanstieg“ (Mauch et al. 2009: 19f.).
„Die Kosten dieser weitverbreiteten und etablierten Stromspeichertechnologie betragen ca. 25
bis 250 Euro/kWh. Aufgrund der großen Stückzahlen und gesetzlicher Vorgaben bezüglich der
Rücknahme, wird ein großer Teil der Bleiakkumulatoren am Ende ihrer Lebensdauer recycelt.
Neben dem bekannten und klassischen Anwendungsfeld als Starterbatterie in Kraftfahrzeugen
wurden diese Batterien auch in größerem Maße zur Netzstabilisierung eingesetzt, z. B. zu
Zeiten, als das Stromnetz von West-Berlin noch als Inselnetz betrieben werden musste“
(Radgen 2007: 14, vgl. Mauch et al. 2009: 11). Ferner werden sie auch für unterbrechungsfreie Stromversorgung, Notstromversorgung und in Energiespeichersystemen für photovoltaische Anlagen genutzt (vgl. Mauch et al. 2009: 11).
Sie sind erprobt und kostengünstig und bspw. um ein Vielfaches billiger als moderne LithiumBatterien (vgl. Mauch et al. 2009: 20).
2.2.3 Natrium-Schwefel-Akkumulator
„Natrium-Schwefel-Akkumulatoren werden seit 15 Jahren in Japan als Energiespeicher
eingesetzt. Sie dienen dort unter anderem der Notstromversorgung in erdbebengefährdeten
Gebieten. Seit 2002 werden sie kommerziell genutzt“ (Mauch et al. 2009: 10).
Sie „... arbeiten bei einer Temperatur zwischen 290 und 390 °C. In diesem Temperaturbereich
sind Natrium (Anode) und Schwefel (Kathode) flüssig. Bei der Batterieentladung gibt das
Natrium ein Elektron ab und wandert anschließend durch die Keramikmembran zur positiven
Elektrode.
Dort
reagiert
das
Natrium-Ion
mit
Schwefel
und
einem
Elektron
zu
Schwefelpolysulfit““ (Radgen 2007: 15) (Abbildung 2).
9
Abbildung 2: Funktionsweise eines Natrium-Schwefel-Akkumulators (vgl. IERE, vgl. Radgen
2007: 15)
„Das Batteriegehäuse besteht aus beschichtetem Stahl. Aufgrund der erforderlichen
hohen Betriebstemperaturen muss die Batterie entsprechend isoliert werden“ (Radgen 2007:
16) (Abbildung 3).
Abbildung 3: Natrium-Schwefel-Batterie (vgl. Eurosolar 2006)
„Natrium-Schwefel-Zellen haben eine hohe Energiedichte und einen Wirkungsgrad von ca.
10
85%, mit Berücksichtigung der notwendigen Heizung kommt eine Stromspeicheranlage auf
insgesamt 75%.
Bis auf die Notwendigkeit der permanenten Erwärmung ist dieser Akkumulator weitgehend
wartungsfrei. Die Lebensdauer beträgt 15 Jahre mit bis zu 2500 Zyklen bei vollständiger
Entladung oder bis zu 4500 Zyklen bei 90% Entladung und ist damit deutlich länger als bei den
meisten anderen Akkumulatorsystemen.
Es tritt kein Memory-Effekt auf, daher sind Natrium-Schwefel-Akkumulatoren auch als
Stromspeicher für Fotovoltaik- und Windkraftanlagen, bei denen sehr unregelmäßige
Ladezyklen auftreten, geeignet“ (Mauch et al. 2009: 10).
2.2.4 Redox-Flow-Batterie
„Redox-Flow-Batterien wurden in den 1970er Jahren entwickelt. Sie speichern elektrische
Energie in Salzen und sind damit mit den Akkumulatoren verwandt. Im Unterschied zu den
klassischen Akkumulatoren zirkulieren die zwei energiespeichernden Elektrolyte in zwei
getrennten Kreisläufen.“ (Angerer et al. 2009: 174)
„Beim Lade- und Entladevorgang werden die Elektrolytlösungen durch eine Konvertereinheit
[Membran] gepumpt, in der ein Ionenaustausch und somit ein Stromfluss stattfindet...“ (vgl.
Mauch et al. 2009: 12). Die „...frei werdenden Elektronen können dann zur Versorgung
elektrischer Verbraucher genutzt werden. Der große Vorteil von diesem Batterietyp ist die
Möglichkeit, die Leistung (Anzahl der Membranen) unabhängig von der im Speicher
befindlichen Energiemenge (Größe der Tanks) zu dimensionieren [, da die energiespeichernden Elektrolyte außerhalb der Zelle in getrennten Tanks 1 gelagert werden. (vgl.
Angerer et al. 2009: 174)] Bei anderen Speichersystemen ist meist ein festes Verhältnis
vorgegeben. Somit kann man die Redox-Fluss-Batterie sowohl für hohe Leistungen als auch
große Energiemengen auslegen“ (Völler 2009: 35).
„Da die Konvertereinheit von Redox-Flow-Batterien in der Herstellung relativ aufwändig und
teuer ist, werden [jedoch] meistens Systeme mit vergleichsweise geringer Leistung und hoher
Speicherkapazität konzipiert. Sie sind daher für Anwendungen geeignet, bei denen eine
gleichmäßige Leistung über eine längere Zeit benötigt wird. Die Entladedauer liegt demgemäß
im Bereich mehrerer Stunden oder Tage“ (Mauch et al. 2009:12).
„Derzeit wird die REDOX-Flow-Batterie gerade neu entdeckt. Dabei sind insbesondere Zellen
1„Die Tanks können einfach und manuell befüllt und die Batterie damit geladen werden. Die Tankgröße
bestimmt den Energieinhalt der Batterie, die Lade-/Entladeeinheit die Leistung der Batterie. Da die
Löslichkeit der Salze in den Elektrolyten typischerweise nicht sehr hoch ist, werden Energiedichten im
Bereich der Bleibatterie erreicht (vgl. ISEA 2008).“ (Angerer et al. 2009: 174).
11
auf Basis Vanadium zu einer gewissen Praxistauglichkeit gereift […] Aktiv in der Entwicklung
sind hier insbesondere VRB Power Systems Inc. (Vancouver, Kanada), Sumitomo Electric
Industries (Japan) und Cellennium ltd. (Thailand). Die Lebensdauer soll nach Angaben dieser
Firmen inzwischen bei ca. 10 000 Zyklen liegen (Arbeitsbereich 20 – 80% der Kapazität).“
(Radgen 2007: 12)
Abbildung 4: Redox-Flow-Batterie der Firma Regenesys
Tabelle 2: Platzbedarf für ein Redox-Flow-Speichersystem in Abhängigkeit von Leistung und
Speichervermögen (vgl. VRB Power)
Leistung
(* 2-stöckiges
Gebäude)
Speichervermögen
4h
6h
8h
10 h
50 kW
15 m²
20 m²
25 m²
35 m²
100 kW
30 m²
40 m²
45 m²
70 m²
200 kW
55 m²
80 m²
110 m²
140 m²
500 kW
140 m²
200 m²
270 m²
340 m²
1.000 kW
270 m²
400 m²
540 m²
660 m²
2.500 kW
1200 m²
1200 m²
1500 m²
1600 m²
*2.500 kW
700 m²
800 m²
1000 m²
1100 m²
*10.000 kW
1200 m²
1200 m²
1800 m²
2000 m²
12
Laut Radgen (vgl. 2007: 14) gibt es mit dieser Technologie noch verschiedene Probleme.
Dazu zählen Nebenströme, die zur Verringerung des Wirkungsgrades führen, als auch
Schwierigkeiten bei der Abdichtung von Zellen und Zellstapeln. Ferner Probleme mit den
gleichmäßigen Strömungsverhältnissen in der Zelle, insbesondere für größere Systeme.
Denn Ungleichmäßigkeit kann Nebenprodukte erzeugen (Gase), die die Zelle und den
Zellstapel zerstören können. Weiterhin kann sich die Zellspannung verringern, wenn sich die
Reaktanden während der Entladung vermischen. Außerdem führt ein Ionentransport durch die
Membran zu unerwünschten Elementen. Letztlich ist die Beibehaltung der Konzentration und
Reinheit der Redoxpaare problematisch.
Jossen (2006) gibt an, dass insbesondere drei Typen dieser Batterie kommerziell genutzt
werden: Regenesys-Batterie, Zink-Brom-Batterie und Vanadium-Redox-Fluss-Batterie (VRB).
Tabelle 3: Kennzahlen unterschiedlicher Redox-Flow-Batterien (vgl. Angerer et al. 2009: 174)
System
Eisen/Chrom
Vanadium/Vanadi Vanadium/Brom
um
Zink/Brom
Spannung [V]
1,2
1,3
1,4
1,8
Kapazität [Ah/I]
33,5
21,4
26,8
54
Energiedichte
[Wh/I]
40,2
27,9
37,5
96
„...Vanadium-Redox-Paare
[haben
sich]
als
eine
besonders
interessante
Variante
herausgestellt. Hauptgrund ist, dass Vanadium in vier verschiedenen Wertigkeiten vorliegen
und damit in beiden Elektroden verwendet werden kann. Damit wird auch der sog. "Crossover-Effekt" (Verunreinigungen durch Übertreten von Ionen durch die Membran) verhindert,
der bei anderen Systemen nach längeren Betriebszeiten zu irreversiblen Verlusten und zur
Verunreinigung des Elektrolyten führte.“ (Angerer et al. 2009: 174, vgl. Garche 2006)
Darüber hinaus wurden in letzter Zeit die Systeme Vanadium-Bromid und Zink-Bromid
weiterentwickelt.“ (Angerer et al. 2009: 174, vgl. Miyake 2001)
„Ein Vorteil der Vanadium-Redox-Batterie ist der hohe Wirkungsgrad von 80 - 85 %, der bei
Berücksichtigung der Pumpenergie immer noch bei über 75 % liegt. Die Energiedichte liegt im
selben Bereich wie die der Bleiakkumulatoren. Zur großtechnischen Energiespeicherung bietet
es sich an, die Elektrolyt-Tanks unterirdisch zu installieren, weswegen die geringe
Energiedichte hier keinen großen Nachteil bedeutet.“ (Mauch et al. 2009: 11)
„Ein weiterer Vorteil ist die hohe Lebensdauer und die volle Recyclebarkeit der Vanadium-
13
Lösungen, wodurch diese praktisch unbegrenzt und ohne Vanadiumverbrauch nutzbar sind.
Es tritt kein Memory-Effekt auf, die Selbstentladungsrate ist vernachlässigbar gering und im
Gegensatz zu den meisten Akkumulatoren verursacht eine Tiefentladung keine Schäden. Das
Laden der Batterie ist in der gleichen Geschwindigkeit möglich wie das Entladen, die
Wartungskosten sind gering...“ (Mauch et al. 2009: 12) und sie arbeiten automatisch (vgl.
Angerer et al. 2009: 175). „Nachteilig sind derzeit noch die hohen, leistungsbezogenen
Investitionskosten von 1.500 – 4.000 € / kW. [...]
Aufgrund der hohen Zyklenzahl und der Skalierbarkeit der Kapazität sind Vanadium-RedoxBatterien als Speicher zur Netzeinbindung erneuerbarer Energien geeignet.“ (Mauch et al.
2009: 12)
2.2.5 Elektromagnetischer Energiespeicher (SMES)
„Die Fortschritte auf dem Gebiet der Werkstoffentwicklung haben Energiespeichertechnologien
unter Verwendung von Supraleitern ermöglicht. Supraleitende magnetische Energiespeicher
(SMES) speichern Energie im magnetischen Feld einer stromdurchflossenen Spule. Die
stromdurchflossene Spule besteht aus Supraleitermaterial, dadurch fließt der gespeicherte
Strom ohne Verluste. Für die Supraleitfähigkeit muss die Spule auf eine Temperatur unterhalb
der Sprungtemperatur gekühlt werden“ (Mauch et al. 2009: 8). „Der Effekt der Supraleitung
beruht darauf, dass einige Materialien bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur ihren
elektrischen Widerstand verlieren und dann den elektrischen Strom verlustlos leiten. Sie
können dann Wirkungsgrade von 90 bis 95 % erreichen“ (Oertel 2008: 12).
„Kommerziell verfügbare Speichersysteme basieren auf Niedertemperatur-Supraleitern (LTS,
Low Temperature Supercoductor), welche eine Temperatur unter ca. 4 K und somit eine teure
Heliumkühlung benötigen. Sie wurden zur Kompensation fluktuierender Lasten bei kritischen
Prozessen, z.B. bei Halbleiter-Fabrikationsanlagen, eingesetzt. Typische Kapazitäten und
Leistungen von LTS-SMES liegen bei 0,28 bis 2,8 kWh und 0,5 bis 10 MW.
Aktuelle Forschungsprojekte zielen darauf hin, SMES aus Hochtemperatur-Supraleitern (HTS)
herzustellen. Hierfür sind Betriebstemperaturen von 20 bis 30 K möglich. Als Konsequenz
hieraus sinken die Kosten für Peripheriegeräte wesentlich. Es gibt bereits Versuche mit
Supraleitern mit einer Sprungtemperatur über 77 K, die eine sehr günstige Stickstoff-Kühlung
ermöglichen. HTS-Systeme weisen im Vergleich zu LTS-Systemen eine wesentlich kleinere
Speicherkapazität auf.“ (Mauch et al. 2009: 8f.)
14
2.2.6 Elektrochemischer Energiespeicher
„Elektrochemische Kondensatoren sind Hochleistungsenergiespeicher; sie besitzen eine
Energieeffizienz von über 90 %. Der hohen Leistungsdichte und der Schnellladefähigkeit
stehen eine geringe Energiedichte und Selbstentladungseffekte gegenüber. Die Kapazität lässt
sich erhöhen, wenn die Porengröße unter ein Nanometer verkleinert wird. Daher werden in
Doppelschichtkondensatoren (sog. Superkondensatoren) hochporöse Kohlenstoffnanofasern,
Aerogele, Nanoröhren bzw. Fullerene eingesetzt.
In Ultrakondensatoren eingesetzte Metalloxide, Keramiken oder leitfähige Polymere führen zu
noch höheren spezifischen Kapazitäten, aber auch zu einer kürzeren Lebensdauer. Auch hier
werden Keramiken eingesetzt, die aus Nanopulvern hergestellt wurden.
Eine besondere Bauform stellen die Hybridkondensatoren dar, wobei sich durch den Einsatz
einer batterieähnlichen Elektrode die Gesamtkapazität und damit die Energie- und
Leistungsdichte deutlich steigern lässt.
Ein
klassisches
Anwendungsgebiet
für
elektrochemische
Kondensatoren
ist
die
Automobilbranche im Bereich der Antriebssysteme als auch für Bord- und Betriebssysteme.
Inzwischen existieren auch erste Elektrofahrzeuge, bei denen die elektrische Energie
ausschließlich in elektrochemischen Kondensatoren gespeichert wird. Ein Einsatz ist auch in
elektrisch betriebenen Eisen-, Straßen- und U-Bahnen möglich. Des Weiteren können diese
beim Ausgleich von Leistungsschwankungen unterstützend wirken. Sie eignen sich ebenfalls
zur Kurzzeitspeicherung bei der photovoltaischen Einspeisung ins Niedrigspannungsnetz. Zur
Überbrückung kurzfristiger Ausfälle, vor allem für Industrie und Telekommunikation, finden
elektrochemische Kondensatoren allein oder in Kombination mit anderen Energiespeichern
Einsatz. Eine Ausweitung des Marktes für diese Kondensatoren bedürfte einer weiteren
Kostenreduktion.“ (Oertel 2008: 11)
2.2.7 Wasserstoffspeicher
Mit Wasserstoffspeichern kann sowohl elektrische als auch thermische Energie erzeugt
werden2. Da diese Speicherart zur Zeit finanziell sehr teuer ist, soll dieser Abschnitt nur der
Vollständigkeit halber Erwähnung finden.
Die stationäre Speicherung von gasförmigem Wasserstoff kann analog der Erdgasspeicherung
in Druckbehältern verschiedener Größe (5 bis ca. 100 m³) erfolgen, wobei metallische
2 Da Tabelle 4 auch Wasserstoff führt, wurde dieser Abschnitt der Übersichtlichkeit wegen bei den
elektrischen Energiespeichern eingeordnet.
15
Druckröhrentanks, stehende oder liegende Tanks oder auch Kugelbehälter verwendet werden.
Derartige Tankanlagen werden üblicherweise unter einem Druck von bis zu 50 bar betrieben.
Eine Anlage mit 95 m³ Speichervolumen und einem Druck von 45 bar kann so beispielsweise
4300 Nm³ Wasserstoff speichern […].
Die Speicherung von Wasserstoff kann auch in flüssigem Aggregatzustand erfolgen. Hierfür
muss der Wasserstoff auf -253 °C abgekühlt werden.
Neben den Speichertechniken für GH2 (Gaseous Hydrogen) und LH2 (Liquid Hydrogen)
besteht eine weitere Möglichkeit zur Wasserstoffspeicherung in der chemischen Einlagerung
von Wasserstoff in speziellen Metalllegierungen oder anderen chemischen Materialien (z. B.
Natrium-Borhydrid, Kohlenstoff-Nanostrukturen).
Die Wasserstoffspeicherung mit Graphit-Nanofasern auf Kohlenstoffbasis wird gegenwärtig
weltweit erforscht und weist ein hohes Potenzial auf. Speichertechnologien wie Pump- und
Druckluftspeicher sind aufgrund der geringen Speicherdichte auf einen kurzzeitigen
Lastausgleich ausgelegt. Als Langzeitspeicher beziehungsweise saisonaler Speicher könnte in
Zukunft Wasserstoff dienen. Die hohen Kosten und der schlechte Wirkungsgrad stellen eine
große Hürde zur Einführung von Wasserstoff als Energiespeicher dar. Auch müsste zunächst
eine Wasserstoffinfrastruktur errichtet werden.“ (Mauch et al. 2009: 13f.)
2.2.8 Zusammenfassung und Bewertung elektrischer Energiespeicher
Tabelle 4: Bewertungskriterien und Anwendungen verschiedener Speichervarianten. (vgl.
Mauch et al. 2009: 15f.)
BleiAkkumulator
NatriumSchwefelAkkumulator
LithiumIonenAkkumulator
RedoxFlowBatterie
Doppelschichtkondensator
SMES
Wasserstoff
Systemgröße
skalierbar skalierbar
skalierbar
10kW–
10MW
skalierbar 100kW– 0,1–1GW
100MW
Energiedichte
30Wh/kg
100Wh/kg
Bis
160Wh/kg
Bis
35Wh/kg
4Wh/kg
1–
n.a.
10kWh/
m³
70-90%
70–90%
75–85%
80–95%
ca. 98% Unter
ohne
50%
Kühlung
Sekunden
Sekunden Tausend- Taun.a.
sendstel
Sekunden stel
Sekunden
Zyklus81–94%
nutzungsgrad
Zugriffszeit
Sekunden Sekunden
16
Investitionskosten
n.a.
1000 – 3000 n.a.
€/kW
1500
– 1 – 500 200 – 2.000
4000 €/kW €/kW
1000
6.000
€/kW
€/kW
Vorteile
Kostengünstig,
ausgereifte
Technologie
LebensHohe
dauer bis zu Energie15
Jahre, dichte
Technologie
hat sich in
Japan
bewährt
Hoher Nutzungsgrad,
Recyclebarkeit
Nachteile Geringe
Energiedichte,
geringe
Lebensdauer
Betriebstemperatur
290°
Sicherheit, Hohe
LebensKosten
dauer nur
ca. 5 Jahre
–
Hohe
Kurze
Keine
Lebens- Zugriffs- Selbstentdauer,
zeit
ladung
kurze
Zugriffszeit, hohe
Leistungsdichte
Sehr
hohe
Speicherkosten,
Entladung
bei hoher
Temperatur
Sehr
hohe
Speicherkosten,
Kühlung
notwendig
Hohe
Umwandlungsverluste,
aufwendige
Speicherung,
nicht
ausgereift
„Naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeiten begrenzen die erreichbaren Energiedichten.
Auch wenn keine neuen Speicherkonzepte in Sicht sind, gibt es eine Reihe von
Weiterentwicklungen etwa bei materialtechnischen Komponenten. So rücken auch
etablierte
Konzepte
wieder
neu
in
das
Blickfeld.
Erkennbar
ist
bei
vielen
Weiterentwicklungen aber ein Spagat zwischen angestrebter hoher Leistungsdichte sowie
hohem Wirkungsgrad auf der einen Seite und Anforderungen der Handhabbarkeit wie
Robustheit sowie Zyklenbeständigkeit auf der anderen Seite. Verbesserungen bei
einzelnen Eigenschaften gehen zumeist mit »Rückschritten « bei anderen Eigenschaften
einher: So stehen höhere Leistungsdichten von Lithium-Ionen-Akkumulatoren einer
abnehmenden Robustheit und zunehmenden Kosten gegenüber.“ (Oertel 2008: 5)
2.3 Technologie der thermischen Energiespeicherung
„Unter dem Begriff der Speicherung thermischer Energie werden Wärme- bzw. Fernwärmespeicher verstanden. Sie untergliedern sich in Hoch- und Niedertemperaturspeicher sowie
Kurz- und Langzeitspeicher. Als Speichermedium kommen kostengünstiges Wasser und das
feuerfeste Gestein Schamott zur Verwendung. Die Wirtschaftlichkeit einer Speicherung von
Nachtstrom ist aufgrund gestiegener Kosten jedoch mittlerweile fraglich. Mehr Interesse gilt
heute beispielsweise Solarkollektoren, die sich der Strahlenenergie der Sonne bedienen. Die
17
Speicherung der Wärmekapazitäten hat den Nutzen, zeitliche Leistungsschwankungen
auszugleichen und somit eine kontinuierliche Versorgung zu gewährleisten.“ (Heidjann 2012)
2.3.1 Thermochemischer Energiespeicher
„Thermochemische Speicher dienen der Speicherung von Wärme (thermische Energie), wobei
reversible chemische Prozesse genutzt werden. Sie lassen sich in Sorptionsspeicher und in
Speicher mit reversiblen chemischen Bindungen unterteilen. Bei der Sorption lagern sich in
bzw.
an
Festkörpern
oder
Flüssigkeiten
Fremdmoleküle
an.
Gebräuchlich
sind
Adsorptionsspeicher, bei denen zur Wärmespeicherung (Beladen) der Vorgang der Desorption
und zum Entladen der der Adsorption genutzt wird. Als Arbeitsmedium wird zumeist Wasser
verwendet.
Sorptionsspeicher können sowohl zu Wärme- als auch zu Kühlzwecken eingesetzt werden. Mit
Adsorptionsspeichern lassen sich vergleichsweise hohe Energiedichten erzielen. Diese sollen
– je nach Material und Systemauslegung – theoretisch etwa im Bereich von 200 bis 500
kWh/m3 (vgl. BINE 2001) liegen. Damit können derartige Wärmespeicher Energiedichten
erreichen, die deutlich über denjenigen liegen, die sich mit sensiblen und latenten
Wärmespeichern realisieren lassen. Im Pilotmaßstab bisher erzielte Energiedichten lagen bei
etwa 130 kWh/m3 (vgl. Henning 2002, vgl. Purkarthofer/Fink 2003).
Vorteilhaft ist weiterhin, dass Adsorptionsspeicher eine nahezu verlustfreie Speicherung der
zugeführten Wärme ermöglichen (Speicherung basiert auf reversiblen chemischen Prozess).
Neben einer fast unbegrenzten Speicherdauer lassen sich Adsorptionsspeicher auch nahezu
beliebig oft be- und entladen (unbegrenzte Zyklenzahl) (vgl. INT 2006). Auch ist die
Verwendung nichtbrennbarer, umweltverträglicher sowie gesundheitlich unbedenklicher
Materialien (Zeolithe, Silikagele, Wasser) als vorteilhaft zu benennen.“ (Oertel 2008: 82)
„Nachteilig ist die geringe Wärmeleitfähigkeit von Zeolithen als auch von Silikagel, die bei
einfachen Schüttungen im Speicher zu einer unbefriedigenden Energiedichte führt. Damit hat
die Geometrie der Gesamtanordnung – speziell die des Wärmetauschers im Sorptionsmaterial
– entscheidenden Einfluss auf den Wärmeübergang und die Fähigkeit des Sorptionsmaterials,
Wasser aufzunehmen.
Schwierig ist es zudem, kompakte Zeolithschichten dauerhaft mit einem metallenen
Wärmetauscher zu verbinden (Abplatzen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung).
Alternativ werden daher Zeolithpellets verwendet, die lose in die Zwischenräume des
18
geeigneten geformten Wärmetauschers eingebracht werden, allerdings bereits zweilagig die
Sorptionskinetik stark beeinträchtigen. Hier besteht noch Optimierungsbedarf.
Zum Beladen (Desorption) der Adsorptionsspeicher wird dem festen Speichermedium Wärme
mit hoher Temperatur zugeführt, wodurch diesem Wasser (als Wasserdampf) entzogen wird.
Der Wasserdampf schlägt sich im nachfolgenden Kondensator/Verdampfer nieder (das
Kondenswasser verbleibt dort). Die danach etwas abgekühlte Luft mit der noch verbleibenden
Kondensationswärme kann nach Verlassen des Speichersystems z. B. für Heizungszwecke
genutzt werden.
Beim
Entladen
(Adsorption)
wiederum
verdampft
das
im
Kondensator/Verdampfer
gespeicherte Wasser durch von außen zugeführte Wärme. Entstehender Wasserdampf lagert
sich an das Sorptionsmaterial an, wobei Energie frei wird und damit die Luft erwärmt, welche
aufgeheizt den Speicher verlassen und zu Heizungszwecken genutzt werden kann.
In ähnlicher Weise funktionieren auch Absorptionsspeicher mit wässrigen Salzlösungen, wie
Lithium- oder Calciumchlorid. Hier wird beim Beladen (Desorption) in einem Regenerator die
Salzlösung durch zugeführte heiße Luft aufkonzentriert und der ausgetriebene Wasserdampf
mit dem Luftstrom abtransportiert. Die aufkonzentrierte Salzlösung kann separat gelagert
werden. Beim Entladen (Absorption) kann die aufkonzentrierte Lösung einen Luftstrom
entfeuchten, sodass wiederum eine verdünnte Lösung entsteht, die auch separat gelagert
werden kann. Dieses System liefert trockene Luft, die durch einen nachgeschalteten
Befeuchter abgekühlt und zu Klimatisierungszwecken genutzt werden kann. Da flüssige
Absorbentien – im Gegensatz zu festen – deutlich schwächere Bindungen eingehen, wird hier
bei der Absorption – im Gegensatz zur Adsorption – die entfeuchtete Luft nur geringfügig
erhitzt. Aus diesem Grund eignen sich Absorptionsspeicher nicht für den Einsatz in
Heizanwendungen (vgl. INT 2006).“ (Oertel 2008: 82)
„Als Sorptionsmaterialien eignen sich Stoffe mit großer innerer Oberfläche (d. h. stark porös)
mit hygroskopischen Eigenschaften. In der Praxis werden meistens Zeolithe (Alumosilikate)
und Silikagele (poröse Form von Siliziumdioxid) eingesetzt. Der typische Arbeitsbereich von
Zeolithen liegt etwa bei 100 bis 300 °C, der von Silikagelen bei rund 40 bis 100 °C. Letztere
geben adsorbiertes Wasser damit schon bei Temperaturen weit unter 100 °C ab. Damit eignen
sich Zeolithe für Heizsysteme, die auf eine höhere Vorlauftemperatur ausgelegt sind. Der
Einsatz von Silikagel dagegen kommt insbesondere für die Beladung durch Solarkollektoren
im Bereich der solaren Hausversorgung bzw. der solaren Nahwärme infrage. Die
Energiedichten des Silikagel-Wasser-Systems werden theoretisch bei etwa 190 kWh/m3
19
(Idealfall der vollständigen Wasserbeladung) gesehen (vgl. Wagner et al. 2006). Beim ZeolithWasser-System sollen die erreichbaren Energiedichten etwa doppelt so hoch sein (vgl. Hauer
2002). Auch Metallhydride sind als Adsorptionsspeicher geeignet mit einem typischen
Arbeitsbereich von etwa 280 bis 500°C.
Eine weitere, relativ neue Materialklasse sind die sog. »Selective Water Sorbents« (SWS) –
Materialien auf Basis einer Silikagelmatrix, die mit einem hygroskopischen Salz imprägniert ist.
Von diesem Material werden hohe Energiedichten erwartet, jedoch gibt es noch Probleme mit
der Materialstabilität (Auswaschung des Salzes, Korrosion). Um die Auswaschung zu
vermindern, werden für das zu imprägnierende Mittel Mischungen verschiedener Salze
untersucht (insbesondere Magnesiumchlorid und -sulfat). Zudem werden als Trägermaterial für
diese
Salzmischungen
sowohl
kostengünstige,
aufgeschäumte
Gläser
(aus
dem
Glasrecycling) als auch Keramik- und Kompositgranulate getestet (vgl. INT 2006). Bislang gibt
es kaum Forschungsinstitute, die Sorptionsmaterialien für den Einsatz in Wärmespeichern
untersuchen und entwickeln. Durch Optimierung bekannter und Entwicklung neuer Materialien
werden noch deutliche Fortschritte bei der Technologie der Adsorptionsspeicher erwartet (vgl.
INT 2006).
Bei einer kostenseitigen Betrachtung spielt die Zahl der Adsorptionszyklen eine wichtige Rolle.
Bei Saisonspeichern mit nur ein bis zwei Adsorptionszyklen pro Jahr ergibt sich (mit
Annahmen: Laufzeit etwa 30 Jahre, insgesamt 30 bis 60 Zyklen zum Amortisieren, zukünftig
steigende Energiepreise), dass dafür nur Sorptionsmaterialien infrage kommen, die sich für
weniger als etwa 1 Euro/kg in Massenproduktion herstellen lassen (vgl. Schmidt 2006). Für
Speicher mit kürzeren Zyklen sind dagegen höhere Materialkosten akzeptabel. So lässt sich
mit ca. 150 Zyklen pro Jahr ein Speichersystem mit einem Sorptionsmaterial, dessen Kosten 2
Euro/kg betragen, bereits heute wirtschaftlich betreiben (vgl. Schmidt 2006, vgl. IZT 2006).“
(Oertel 2008: 84)
Eine
Anwendung
von
Adsorptionsspeichern
sind
Heizgeräte
für
Einfamilienhäuser.
Beispielsweise hat die Firma Vaillant im Jahr 2006 ein sogenanntes Zeolithheizgerät auf den
Markt gebracht, welches als Hybridsystem (gekoppelt mit Brennwerttechnik) ausgelegt ist (vgl.
Vaillant 2005). Untersucht wird weiterhin die Realisierung von Langzeitwärmespeichern auf
Basis von mit Silikagel gefüllten Adsorptionsspeichern, die im Sommer über die
Solarkollektoren geladen und im Winter die gespeicherte Wärme dem Heizungssystem zur
Verfügung stellen (z. B. Brauchwasser erwärmen, hauseigene Heizung unterstützen). [...] Eine
20
weitere Anwendung von Adsorptionsspeichern ist der Lastausgleich in Fernwärmenetzen.
Diskutiert wird auch die Nutzung von Adsorptionsspeichern als mobile Wärmespeicher. Dabei
sollen die in einem verladbaren Container untergebrachten Adsorptionsspeicher zunächst
durch Abwärme, z. B. von Blockheizkraftwerken, Industriebetrieben oder Müllverbrennungsanlagen, geladen werden. Danach wird der Container mittels eines Lkw zum jeweiligen Nutzer
gebracht,
wo
er
entladen
werden
kann.“
(Oertel
2008:
85)
Jedoch
sind
die
Anfangsinvestitionen für mobile Wärmespeicher noch sehr hoch (vgl. NZZ online 2006).
Thermochemische Speichersysteme auf der Basis reversibler chemischer Bindungen nutzen
die Bindungsenergie eines molekularen Zustands zur Wärmespeicherung. Das Laden des
Speichers erfolgt durch Wärmezufuhr. Dadurch wird eine chemische Verbindung […] in die
beiden Basisverbindungen [...] zerlegt. Entladen wird der Speicher, indem die beiden
Basisverbindungen miteinander reagieren, wobei Wärme frei wird. Thermochemische
Speicher auf der Basis reversibler chemischer Bindungen befinden sich noch weitgehend im
Forschungs- und Entwicklungsstadium (vgl. INT 2006).“ (Oertel 2008: 84f.)
Ausblick
Adsorptionsspeicher zur Wärmespeicherung sind technisch weiter entwickelt als Absorptionsspeicher.
Ein
Grund
dafür
ist
vielleicht,
dass
Absorptions-,
im
Gegensatz
zu
Adsorptionsspeichern, nur für Klimatisierungszwecke und nicht zum Heizen – dem
eigentlichen Einsatzzweck von Wärmespeichern – eingesetzt werden können. Für
Adsorptionsspeicher gibt es zahlreiche Pilotprojekte sowie ausgereifte kommerzielle
Produkte.“ (Oertel 2008: 86)
2.3.2 Kapazitiver (sensibler) Wärmespeicher
„Zur Speicherung von Wärme und Kälte sind sog. sensible Wärmespeicher etabliert, bei
denen bei Wärmezufuhr das Speichermedium seine »fühlbare Temperatur« verändert.
Sensible Wärmespeicher sind »Klassiker« insbesondere mit Wasser als Speichermedium im
Gebäudebereich.“ (Oertel 2008: 8)
„Nachteilig sind auftretende Wärmeverluste und die damit notwendige Dämmung des
Speichers. Da die Wärmeverluste direkt proportional zur Oberfläche des Wärmespeichers
sind, werden Bauformen mit einem möglichst kleinen Oberfläche-Volumen-Verhältnis
angestrebt: Dies ist über längere Zeit mit großen Anlagen effizienter erreichbar. Kleine Anlagen
21
weisen oft ein ungünstiges Oberfläche-Volumen-Verhältnis auf, sodass diese als Kurzzeitspeicher eingesetzt werden.“ (Oertel 2008: 46)
„Differenziert wird nach Kurz- und Langzeitspeichern sowie einer Kombination von beiden
(Hybridspeicher). Zu den Kurzzeitspeichern gehören für den Temperaturbereich unterhalb 100
°C Heißwasserspeicher und oberhalb 100 °C Dampf-, Fluid- und Feststoffspeicher.
Die Attraktivität etablierter Heißwasserspeicher beruht darauf, das Wasser eine hohe
Wärmekapazität besitzt, preiswert und breit verfügbar ist. Mit Blick auf eine minimierte
Oberfläche wären z. B. kugelförmige Behälter ideal. In der Praxis haben sich zylinderförmige
Speicher durchgesetzt, weil diese einfach zu transportieren sind und die Herausbildung
stabiler thermischer Schichten begünstigen.
Heizquellen sind konventionelle als auch regenerative Hausheizungssysteme, die in vielen
Fällen bivalent ausgelegt sind (z. B. Kopplung mit Solarthermie). Technische Verfeinerungen
sind z. B. Zweispeichersysteme, die neben dem Brauchwasserspeicher noch einen weiteren,
größeren Pufferspeicher besitzen, der die Wärme sonnenreicher Stunden für Heizungszwecke
zwischenspeichert (vgl. INT 2006).
Dampfspeicher bestehen aus einem oder mehreren druckdichten Stahlkesseln, die mit
Wasserdampf
beladen
werden,
welcher
im
Druckvolumen
auskondensiert.
Die
Wassertemperatur im Speicher entspricht der Siedetemperatur, die – aufgrund des Drucks von
bis zu 10 bar (vgl. Steinmann et al. 2005) – über 100 °C liegt. Charakteristisch ist eine
schnelle Verfügbarkeit der gespeicherten Energie. Dampfspeicher
Bereitstellung
von
Prozesswärme
in
der
Industrie
etabliert
sind bereits zur
(Kurzzeitspeicher). Als
Langzeitspeicher sind sie nicht geeignet, da sie keine Wärme auf gleichbleibendem
Temperatur- bzw. Druckniveau bereitstellen.“ (Oertel 2008: 46)
„Fluid- bzw. Feststoffspeicher nutzen ein flüssiges bzw. festes Medium zur Wärmespeicherung
für die Bereitstellung industrieller Prozesswärme. In Fluidspeichern werden Thermoöle,
Druckwasser, aber auch Flüssigsalze verwendet. Bei Thermoölen sind vergleichsweise höhere
Investitionen, Sicherheits- und Umweltaspekte zu beachten. Der Einsatz von Flüssigsalz ist
auf Temperaturen von über 300 °C z. B. in solarthermischen Kraftwerken ausgelegt (vgl.
Steinmann et al. 2005). Für Fluidspeicher liegen bereits umfangreiche Betriebserfahrungen im
konventionellen Einsatzbereich als auch bei Solarkraftwerken vor. Das Arbeitsmedium von
Solarkollektoren kann auch direkt gespeichert werden. Bei Feststoffspeichern liegt der
22
Entwicklungsfokus derzeit auf Hochtemperaturbeton, aber auch Hochtemperaturkeramik ist
einsetzbar (vgl. DLR 2006). Der Wärmeüberträger, z. B. Rohrleitungen, ist dabei in das
Speichermedium integriert. Ein zunehmend wichtiges Anwendungsgebiet für Fluid- und
Feststoffspeicher sind solarthermische Kraftwerke. Hier eignen sie sich zur Wärmespeicherung im Temperaturbereich oberhalb von 300 °C. Während für Fluidspeicher
umfangreiche Betriebserfahrung im industriellen Bereich und in Solarkraftwerken vorliegt, sind
Feststoffspeicher noch nicht kommerziell verfügbar, sie werden jedoch derzeit praxisnah
erprobt (vgl. INT 2006).
Zu den Langzeitspeichern gehören neben Heißwasser- auch Kies-Wasser-, Erdsonden- und
Aquiferwärmespeicher. In Deutschland rückt die Langzeitwärmespeicherung seit Anfang der
1990er Jahre – im Rahmen der stärkeren Nutzung der Sonnenenergie – in den Fokus.
Wesentliche Anwendungsfelder von Langzeitspeichern sind zudem die Speicherung
industrieller Abwärme bzw. der durch Kraft-Wärme-Kopplung generierten Wärme. […]“ (Oertel
2008: 47)
„Langzeitheißwasserspeicher für Temperaturen unter 100 °C (Einsatztemperaturbereich 30 bis
95 °C [vgl. Fisch et al. 2005, Mangold et al. 2001]) können mehrere Tausend m³ an Volumen
fassen und unabhängig von der geologischen Bodenbeschaffenheit in unterschiedlichen
Größen realisiert werden. Die meist zylindrisch ausgeführten Speicher weisen eine
Temperaturschichtung auf. Der untere (kältere) Bereich wird oft teilweise (ohne Dämmung) ins
Erdreich eingelassen. Für die Dämmung des Deckels sowie der Seitenwände kommen Glasoder
Mineralfasern,
Schaumglas
bzw.
-schotter
sowie
Blähglasgranulat
infrage.
Wasserdichtigkeit wurde früher mit einer Edelstahlauskleidung erreicht. Für neuere Anlagen
wird ein neuartiger wasserdichter Spezialbeton eingesetzt, sodass auf eine zusätzliche
Auskleidung verzichtet werden kann (vgl. INT 2006). Die erreichbaren Energiedichten von
Langzeitheißwasserspeichern liegen bei 60 bis 80 kWh/m3 (vgl. BINE 2005).
Kies-Wasser-Wärmespeicher
sind
meist
pyramidenstumpfförmig
gestaltete
Gruben,
wasserdicht mit Kunststofffolie ausgekleidet und einem Kies-Wasser-Gemisch gefüllt. Der
Wärmeaustausch erfolgt entweder direkt durch Wasseraustausch oder indirekt über
Rohrschlangen. Diese Wärmespeicher stellen eine kostengünstige Alternative zu den relativ
aufwendigen Betonkonstruktionen der Heißwasserwärmespeicher dar (vgl. INT 2006: 94). Die
eingesetzten Kunststofffolien begrenzen die maximale Speichertemperatur derzeit auf etwa 80
bis 90 °C (vgl. Fisch et al. 2005, vgl. Mangold et al. 2001). Die mit Kies-Wasser-Wärme-
23
speichern erreichbaren Energiedichten liegen im Bereich von 30 bis 50 kWh/m3 (vgl. BINE
2005).“ (Oertel 2008: 47f.)
„In Erdsondenwärmespeichern wird die Wärme direkt im Erdreich bzw. in Gesteinsschichten
gespeichert. Sie dienen beispielsweise dazu, bei Solaranlagen im Gebäudebereich die
Diskrepanz zwischen einem hohen Strahlungsangebot (mit höherem Wärmeanteil) im Sommer
und dem zeitlich versetzten Wärmebedarf zur Raumheizung im Winter auszugleichen. Die
Wärmeübertragung erfolgt über im Erdboden eingelassene U-förmige Sonden (Bohrlöcher
etwa 20 bis 100 m tief mit Durchmessern von ca. 100 bis 200 mm im Abstand von 1,5 bis 3 m
[vgl. Fisch et al. 2005, vgl. Mangold et al. 2001, vgl. Schmidt/Müller-Steinhagen 2005]), die
zumeist aus Kunststoff (Polyethylen, -propylen, -buten) bestehen. Geeignete Untergründe sind
wassergesättigte Tone bzw. Tongesteine – mit einer hohen Wärmekapazität und Dichtheit, um
mögliche Grundwasserbewegungen zu unterbinden. Erdsondenwärmespeicher weisen durch
die träge Wärmeleitung im Erdreich selbst und zur Sonde hin – im Vergleich zu anderen
Langzeitwärmespeichern – deutlich längere Zugriffszeiten auf. Vorteilhaft ist der geringe
Bauaufwand sowie die einfache Erweiterbarkeit (in Abhängigkeit der Siedlungsgröße). Zu
beachten ist dabei, dass der zum wirtschaftlichen Betrieb von Erdsondenwärmespeichern
notwendige eingeschwungene Zustand im Erdreich erst nach etwa drei bis fünf Jahren (vgl.
Mangold et al. 2001, vgl. Schmidt/Müller-Steinhagen 2005) erreicht wird. Während dieser Zeit
werden Speicher und das umgebende Erdreich auf Betriebstemperatur aufgewärmt.
Nach Abklingen der Einschwingphase wird damit gerechnet, dass rund 60 bis 70 % der
eingespeicherten Wärmemenge nutzbar gemacht werden kann (vgl. Schmidt/MüllerSteinhagen 2005).
Nachteilig bei Erdsondenwärmespeichern sind relativ hohe Speicherverluste, da eine
Dämmung nur an der Erdoberfläche erfolgen kann. Für eine effiziente Langzeitspeicherung
sind daher Speichergrößen von mehr als 50.000 m³ Erdreichvolumen sinnvoll (vgl. Fisch et al.
2005, vgl. Mangold et al. 2001, vgl. Schmidt/Müller-Steinhagen 2005). Die maximale Speichertemperatur liegt bei ca. 80 °C (vgl. Fisch et al. 2005, vgl. Schmidt/Müller-Steinhagen 2005). Mit
Erdsondenwärmespeichern lassen sich Energiedichten im Bereich von 15 bis 30 kWh/m3
erzielen (vgl. BINE 2005).“ (Oertel 2008: 48f.)
„In
Aquiferwärmespeichern
wird
Wärme
in
natürlich
vorkommenden,
hydraulisch
abgeschlossenen Grundwasserschichten gespeichert. Über eine »kalte Bohrung« wird
Grundwasser entnommen, oberirdisch wird mittels Überträger Wärme aus Kühlprozessen,
Solaranlagen, Kraft-Wärme-Kopplung etc. erwärmt und über eine weitere Bohrung (»warme
24
Bohrung«) wieder in das Aquifer geleitet (vgl. Schmidt/Müller-Steinhagen 2005). Um die
gegenseitige thermische Beeinflussung beider Bereiche zu verhindern, werden die Bohrungen
im Abstand von 50 bis 300 m ausgebracht. An der »warmen Bohrung« bildet sich eine
sogenannte Wärmeblase, die zur Ausspeicherung – z. B. im Winter – in umgekehrter
Strömungsrichtung genutzt wird (vgl. Friedrich 2003). Aquiferwärmespeicher stellen hohe
Anforderungen
an
hydrogeologische,
hydrochemische
und
mikrobiologische
Rand-
bedingungen. Ähnlich wie Erdsondenwärmespeicher benötigen auch sie – mangels
zusätzlicher Wärmedämmung – einige Jahre zum Erreichen eines eingeschwungenen, und
dann auch wirtschaftlichen Zustands. Auch hier sind große Speichervolumina sinnvoll (ab etwa
100.000 m3). Für die Wärmespeicherung genutzte Aquifere liegen (außerhalb derjenigen zur
Trinkwasserversorgung) in einer Tiefe von ca. 100 m (vgl. Mangold et al. 2001). Bei Speichertemperaturen von über 50 °C kann es je nach örtlicher Gegebenheit zu biologischen und
geochemischen Veränderungen des Grundwassers kommen (vgl. Fisch et al. 2005; Mangold
et al. 2001, vgl. Schmidt/Müller-Steinhagen 2005). Ein Beispiel für die Anwendung von Aquiferspeichern ist die Speicherung von Überschusswärme beim Berliner Reichstagsgebäude.“
(Oertel 2008: 48f.)
Ausblick
„Von Interesse sind zukünftig auch sog. Hybridspeicher, die einen Kurz- und einen
Langzeitspeicher
integrieren.
Ein Beispiel
dafür
ist der
in Attenkirchen realisierte
Hybridspeicher zur solaren Nahwärmeversorgung (30 Einfamilienhäuser, Sporthalle). Er
besteht aus einem Beton-Heißwasser-Wärmespeicher (Kurzzeitspeicher), der von einem Ring
mit Erdwärmesonden (Langzeitspeicher) umgeben ist (vgl. Schmidt/Müller-Steinhagen 2005).
Durch Kombination beider Speicherprinzipien und unterirdische Lagerung des Heißwasserspeichers ist nur eine Wärmedämmung zur Erdoberfläche hin notwendig. Gespeist
wird die Anlage durch eine Solaranlage, deren Leistungsschwankungen durch den
Wasserspeicher ausgeglichen werden.
Der Einsatz von sensiblen Wärmespeichern ist zukünftig interessant, da diese z. B. solare
Wärme für
Gebäude-
aber
auch Prozessanwendungen speichern.
Zudem
können
Dampfspeicher ebenso in der elektrischen Energieversorgung als Pufferspeicher zur
Abdeckung von Leistungsspitzen eingesetzt
werden (vgl. INT 2006). Sie können
beispielsweise bei Solarkollektorsystemen zur Kompensation kurzfristiger Störungen (z. B. bei
Wolkendurchgängen) zur Anwendung kommen.
Ein Augenmerk wird auf die Weiterentwicklung der materialtechnischen Seite gelegt. Hier geht
es
sowohl
um
die
Optimierung
von
Energiedichten
(spezifische
Wärmekapazität,
25
bautechnische Auslegung) als auch um die Verbesserung von Dämmeigenschaften.“ (Oertel
2008: 50f.)
2.3.3 Latentwärmespeicher
„Latent im Sinne von »versteckt, verborgen« wird hier die thermische Energie bezeichnet, die
nach außen hin mit keiner (bzw. nur einer unwesentlichen) Temperaturänderung des
Speichermediums verbunden ist. Während des Ladevorgangs wird zumeist die zu speichernde
Wärme (bzw. Kälte) im Wechsel des Aggregatzustands des Speichermediums »fixiert«
(Laden: Wärmeaufnahme, Entladen: Wärmeabgabe). Als Speichermedium werden chemisch
einheitliche Stoffe eingesetzt, die einen festen Schmelzpunkt aufweisen. Bevorzugt wird die
Umwandlung fest – flüssig. Das Speichermedium wird daher auch als Phasenwechselmaterial
bezeichnet (Phase Change Material, PCM). Bedingt durch stoffspezifisch feste Schmelztemperaturen
sind
für
unterschiedliche
Arbeitstemperaturen
(bzw.
Einsatzzwecke)
unterschiedliche Speichermedien erforderlich.“ (Oertel 2008: 51).
„Vorteile von PCM liegen darin, dass durch die Phasenumwandlung relativ große Wärme- bzw.
Kältemengen pro Speichervolumen aufgenommen werden (hohe Energiedichten realisierbar
sind) bei weitgehend konstanter Betriebstemperatur. So kann z. B. bei einer Temperaturänderung von 10 °C – im Vergleich zu sensiblen Speichern – eine 10- bis 20-fach höhere
Wärmespeicherdichte erzielt werden (vgl. Tamme et al. 2005, S. 128). Dadurch lassen sich die
benötigten Mengen an Speichermaterial und auch die Baugröße der Behälter signifikant
reduzieren.
Ein wesentliches Problem bei der technischen Umsetzung der Latentwärmespeicherung liegt
in einem geringen Wärmetransport zwischen dem Speichermedium (PCM) und dem es
umgebenden Wärmeträgerfluid. Grund hierfür sind die relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeiten
der (anorganischen bzw. organischen) Speichermedien (etwa bei 0,5 bis 1 W/[m x K]) (vgl.
Tamme et al. 2005, S. 128). Zum Erreichen einer ausreichend hohen Wärmestromdichte – und
damit Lade- und Entladeleistung würden dann entweder sehr große Wärmeübertragungsflächen oder Speichermaterialien mit erheblich höherer Wärmeleitfähigkeit benötigt. Zur
Überwindung dieser Wärmetransportlimitierung werden verschiedene Strategien verfolgt: Zum
einen die Mikroverkapselung der Speichermaterialien (Paraffine als PCM und die organische
Verkapselung, die bis 100 °C einsetzbar ist), um eine hohe spezifische Oberfläche zu erzielen.
Zum anderen werden hochleitfähige Verbundmaterialien entwickelt (Umsetzung des PCM mit
einer sehr gut wärmeleitenden Matrix zu einem neuen Verbundmaterial) (vgl. Tamme et al.
26
2005).“ (Oertel 2008: 52)
„Je nach Anwendungsfall werden Materialien mit geeigneter Phasenwechseltemperatur
ausgewählt: Für die Kältespeicherung werden Wasser und wässrige Salzlösungen verwendet.
Die Wärmespeicherung im Temperaturbereich von 5 bis etwa 130 °C erfolgt mit Salzhydraten
(Salze mit einem hohen, ins atomare Gittersystem integrierten Wassergehalt) und eutektische
Mischungen von Salzhydraten.
Für denselben Temperaturbereich sind Paraffine einsetzbar, die zudem Vorteile hinsichtlich
ihrer chemischen Reaktionsträgheit (keine Korrosionserscheinungen an Metallen) und somit
einfachere Handhabung aufweisen. Im Vergleich zu Salzhydraten weisen diese zwar ähnliche
massenbezogene Energiedichten von ca. 200 kJ/kg auf, aber ihre Dichte (0,7–0,9 kg/l) ist
geringer als die der Salzhydrate (Dichte: 1,4–1,6 kg/l) (vgl. INT 2006: 81). Bekannte
Salzhydrate (z. B. Na2HPO4 x 12 H2O, schmilzt bei 35 °C) haben jedoch den Nachteil, dass
sie nicht kongruent schmelzen, d. h. es erfolgt dabei eine Phasenbildung aufgrund von Dichteunterschieden. Eine erneute Materialverfestigung gelingt dann nur unvollständig. Um das
Separieren zu verhindern, werden heute verschiedene Ansätze verfolgt (z. B. Mikroverkapselung) (vgl. Mehling 2001). Für Temperaturen oberhalb etwa 130 °C werden Salze (z.
B. Nitrate, Chloride, Carbonate oder Fluoride) sowie deren eutektische Mischungen
eingesetzt. Sie wurden vor allem für den Einsatz von Latentwärmespeichern für
Parabolrinnensolarkraftwerke untersucht (vgl. Mehling 2002: 2).
In den letzten Jahren haben zahlreiche PCM-Produkte ihre Marktreife erreicht. Im Bereich der
Gebäudetechnik fokussiert sich ihr Einsatz auf den Temperaturbereich zwischen 5 und 25 °C,
integriert z. B. in Fußbodenheizungen, Sonnenschutzsystemen oder Glasfassaden. Für die
passive Gebäudeklimatisierung werden unter anderem temperaturausgleichende PCMGipsputze und PCM-Gipskartonplatten angeboten (vgl. INT 2006: 83).“ (Oertel 2008: 52f.)
Ausblick
„Latentwärmespeicher werden genutzt, um Temperaturschwankungen innerhalb eines
Systems zu glätten und Temperaturspitzen zu verhindern. Damit stellen diese auch für die
Nutzung industrieller Prozesswärme eine attraktive Option dar: Mit hochleitfähigen SalzGraphit-Verbundmaterialien (z. B. Nitrate) kann der Temperaturbereich zwischen 130 und 330
°C abgedeckt werden. Als Wärmeleitmatrix wird Graphit eingesetzt (vgl. DLR 2006). Eine
Option ist dabei auch, »mobile Wärme« anzubieten, wobei das zu speichernde Medium (z. B.
ein PCM) zum Ort des Verbrauchs (leitungsunabhängig) transportiert wird (vgl. Ohl et al.
2007). Damit könnten auch Wärmemengen genutzt werden, die dezentral anfallen (z. B.
27
Abwärme von Industrieanlagen) und die bisher nicht genutzt werden.
Besonderes Augenmerk wird insgesamt auf die Weiterentwicklung des PCM gelegt:
Beispielsweise werden zukünftig Phasenwechselfluide (Phase Change Slurries, PCS)
einsetzbar sein. Dies sind Wärmeträgerfluide bestehend aus einer Trägerflüssigkeit und einem
Phasenwechselmaterial. Im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeträgerfluiden (z. B. Wasser)
können sie im gewünschten Temperaturbereich eine weitaus größere Energiemenge pro
Volumen speichern (vgl. Schossig et al. 2005). Damit sind kompaktere Speicher realisierbar.
Ice-Slurries – eine Sonderform der PCS – finden in der Kältetechnik im Temperaturbereich
zwischen ca. -15 und 0 °C Anwendung. Basierend auf einem Wasser-FrostschutzmittelGemisch (im Wasser suspendierte Eiskristalle) wird der Phasenwechsel Eiswasser zum
Wärmetransport genutzt. Gearbeitet wird derzeit daran, als Phasenwechselmaterial Emulsionen mit Paraffinen bzw. mit ionischen Flüssigkeiten zu erhalten (geplanter Einsatzbereich:
0–18 °C) (vgl. UMSICHT 2005).
Für den Bereich zwischen 0 und 20 °C werden zudem Gashydrate bzw. Clathrate erforscht.
Das Gas wird meist unter Druck in Wasser gelöst; die Gasmoleküle stabilisieren dann das
Gitter des Eises und erhöhen dadurch dessen Schmelzpunkt.
Eine neue Materialklasse für den Temperaturbereich von 90 bis 180 °C, die noch in der
Entwicklung ist, sind Zuckeralkohole. Sie weisen außerordentlich hohe Energiedichten auf und
zeigen keine Separation (Einkomponentensysteme) (vgl. INT 2006). Aufgrund ihrer
chemischen Eigenschaften ist bei einem Kontakt mit Metallen keine Korrosion zu erwarten“
(Oertel 2008: 53f.)
3 Marktanalyse
Die folgenden zwei Kapitel befassen sich mit Anbietern elektrischer und thermischer
Energiespeicher. Hierfür wurden im Frühjahr 2012 ca. 50 Firmen in Sachsen kontaktiert. Die
Recherche konzentrierte sich insbesondere auf Firmenstandorte in den Ballungsräumen
Dresden, Leipzig und Chemnitz. Die Firmen wurden nach ihrem Leistungsangebot (Haus-,
Elektro-, Wärme- und Heizungstechnik, Solar- und Photovoltaikanlagenbau) und/oder ihrem
Profil (Ingenieur- und Planungsbüro) ausgewählt.
28
3.1 Firmen für elektrische Energiespeicher
Tabelle 5: Elektrische Energiespeicher – Übersicht Firmen und Leistungen
Firma
Adresse
Kontakt
Produkt/Leistung
Brockmann
Solar
GmbH
Heidelberger
Str. 4,
01189
Dresden
Solaranlagen;
Tel.:
Blei-Gel-Akkus (z.Z.
0351/42095-0
nur für USV sinnvoll)
Fax:
0351/42095-59
Email:
[email protected]
Web:
www.brockmannsolar.de
Rückfragen gerne
an Chef Hr.
Brockmann
Möglich,
keine
genauen
Angaben
Franz
Haustechnik
AntonZickmantelStr. 50,
04249
Leipzig
Tel.:
Blei-Gel-Akkus für PV0341/42-49218
Anlage
Fax:
0341/42-03377
Email:
haustechnikfranz
@web.de
Web:
www.haustechnikf
ranz.de
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Ingenieurbüro für
Haustechnik
Kay
Barthel
Lessingstr.
6,
09217
Burgstädt
Tel.:
03724/14619
Fax:
Email:
[email protected]
Web:
www.ibhaustechnik.de
Batterien für
thermischen
Überschuss bei
BHKW's
NachFinanzen
rüstung
Blei-GelAkkus:
MFH z.Z.
unbezahlbar
EFH mit
5kW
Wechselrichter ca.
€5.800
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Elektrische Energiespeicher werden von den kontaktierten Firmen kaum bis gar nicht
angeboten. Oft wurde darauf verwiesen, dass diese Form der Speicherung noch in der
Entwicklungsphase steckt und derzeit nicht realistisch finanzierbar ist. Trotz Nachfrage wurden
genaue Angaben zur Nachrüstung und den möglichen finanziellen Kosten nur ein Mal
gemacht, da jede Anlage spezifisch auf das Gebäude abgestimmt werden muss. Auch konkret
für ein Gebäude mit 30 bis 40 bestehenden Wohneinheiten wurde keine klare Aussage von
den Firmen getroffen.
29
3.2 Firmen für thermische Energiespeicher
Tabelle 6: Thermische Energiespeicher – Übersicht Firmen und Leistungen
Firma
Adresse
Kontakt
Produkt/Leistung
NachFinanzen
rüstung
Bernstein
Haustechnik
GmbH
Handwerkerhof 13,
04316
Leipzig
Tel.:
0341/651015-4
Fax:
0341/651015-3
Email:
[email protected]
Web:
www.bernsteinhaustechnik.de
Sämtliche
Möglich, k.A.
Wärmespeicher (Firma keine
Viessmann etc.)
genauen
Angaben
Blech- und
Technologiezentrum
Linda
GmbH
Stolzenhainer Str. 3,
06917
Jessen/OT
Linda
Tel.:
035384/2194-0
Fax:
035384/2194-25
Email:
[email protected]
Web:
www.blecteclinda.de/
Behälterbau
Bunse
Haustechnik
GmbH
Haferkornstr.
10,
04129
Leipzig
Wärmepumpen bei
Tel.:
Solar u. Photovoltaik;
0341/91929-0
Warmwasserspeicher
Fax:
0341/91929-1
Email:
info@bunsehaust
echnik.de
Web:
www.bunsehauste
chnik.de
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Chemnitzer
Haustechnik
Herrmann
Chemnitzer
Str. 126,
09224
Chemnitz/O
T Grüna
Pufferspeicher für
Tel.:
Heizungs- u. Warm0371/334714-3
wasseranlage
Fax:
0371/334714-6
Email:
service@chemnitz
er-haustechnik.de
Web:
www.chemnitzerhaustechnik.de
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Franz
Haustechnik
AntonZickmantelStr. 50,
Tel.:
0341/42-49218
Fax:
k.A.
k.A.
Pufferspeicher für
Möglich, k.A.
Heizungs- u. Warmkeine
wasseranlage (ggf. mit genauen
30
04249
Leipzig
0341/42-03377
Warmwasser auf
Dach)
Email:
haustechnikfranz
@web.de
Web:
www.haustechnikf
ranz.de
Ingenieurbüro für
Haustechnik
Kay
Barthel
Lessingstr.
6,
09217
Burgstädt
Tel.:
03724/14619
Fax:
Email:
[email protected]
Web:
www.ibhaustechnik.de
Wärmespeicher für
thermischen
Überschuss bei
BHKW's;
Solarthermie (riesige
Anlage für MFH nötig,
daher Umsetzung
fraglich)
Ludmann
& Partner
GmbH
Ringstr. 6,
04654
Frohburg
Tel.:
034348/5590-0
Fax:
034348/5590-9
Email:
[email protected]
oder
Kontaktformular
auf der Website
Web:
www.tankbauludmann.de
Anfertigung u. Verkauf
von Wannen,
Behältern und Tanks
Mercklein
Haustechnik
GmbH
Fockestr. 59, Tel.:
04275
0341/3026915
Leipzig
Fax:
0341/3026915
Email:
[email protected]
Web:
www.merckleinhaustechnik.de
Pufferspeicher
k.A.
Müller
Haustechnik
Leipzig
VaclavNeumannStr. 72,
04299
Leipzig
Wärmespeicher mit
Festbrennstoffen für
Heizungsanlagen und
Pufferspeicher
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Tel.:
0341/86177-22
Fax:
0341/86177-44
Email:
[email protected]
Web:
www.mueller-
Angaben
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
k.A.
31
haustechnikleipzig.com
Pietsch
Haustechnik
GmbH<
Mittelstr. 12, Tel.:
04749
034324/30-0
Ostrau
Fax:
034324/30-190
Email:
Kontaktformular
auf der Website
Web:
www.pietsch.de
Verkauf (nur Händler)
Verkauf u.a. von
Warmwasserspeicher
k.A.
k.A.
Eberhard
Rink –
Sanitär,
Heizung,
Elektro
Reisewitzer
Str. 60,
01159
Dresden
Tel.:
0351/42280-0
Fax:
0351/42280-30
Email:
[email protected]
Web:
www.eberhardrink.de
Pufferspeicher
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Rinova
Haustechnik
und
Ausbau
GmbH
Scharfenberger Str.
55,
01139
Dresden
Tel.:
0351/84094-0
Fax:
0351/84094-39
Email:
[email protected]
Web:
www.rinovadresden.de
Registerspeicher
(Warmwasserspeicher,
Standspeicher),
Untertischspeicher;
Obertischspeicher
„...alles für den
Wohnungsbau“
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
RPP
Planungsbüro für
ökologische
Haustechnik,
Solaranlagen u.
Energieberatung
GbR
Hinrichsenstr. 3,
04105
Leipzig
Tel.:
0341/14991055
Fax:
0341/2153905
Email:
[email protected]
Web:
www.rppleipzig.de
Kurzzeitspeicher für
Heizungs- u.
Solaranlage (2 bis 3
Tage Speicherdauer);
keine Einzelspeicher
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Rziha –
Haustechnik
GmbH &
Co.KG
Würzburger
Str. 14,
01187
Dresden
Tel.:
0351/47242-42
Fax:
0351/47242-82
Email:
[email protected]
Web:
Heißwasserspeicher
500l/1.000l
Möglich,
keine
genauen
Angaben
Bsp.
Nov. 2011
Lieferung u.
Montage
500l
Warmwasse
rspeicher
32
www.rziha.de
aus
Edelstahl
Netto €
1.948,70
Vinz-Heiz- Straße der
systeme
Freundschaft
14,
04808
Dornreichenbach
Tel.:
03425/839-7280
Fax:
03425/839-2588
Email:
[email protected]
Web:
www.vinzheizsysteme.de
Verkauf (nur Händler)
Pufferspeicher,
Solarspeicher
k.A.
k.A.
WAL
Haustechnik
GmbH
Bornaische
Str. 120,
04279
Leipzig
Tel.:
Pufferspeicher (für
0341/33628-20
Tagesbedarf)
Fax:
0341/33628-12
Email:
Haustechnik@wal
.de
Web:
www.wal.de
Weber &
Meißner
GmbH
Saarländer
Str. 40,
04179
Leipzig
Tel.:
0341/411554-4
Fax:
0341/411554-6
Email:
[email protected]
Web:
www.webermeissner.de
Diverse Kurz- u.
Langzeitwärmespeicher
(Langzeitspeicher
vermutlich wegen des
großen Platzbedarfs
nicht sinnvoll)
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
ZBP
Zimmermann u.
Becker
Ingenieurgesellschaft für
techn.
Gebäudeausrüstung
Ranstädter
Steinweg 28,
04109
Leipzig
Tel.:
0341/21201-0
Fax:
0341/21201-29
Email:
[email protected]
Web:
www.zimmermann
undbecker.de
Solaranlage mit
Wärmepumpe für
Warmwasser (nicht
Heizung);
„Eisspeicher“ (siehe
hierzu Ausführung
nach Tabelle)
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
ZWS
Zukunftsorientierte
Wärmesysteme –
Heizung
u.a.
Dresdener
Str. 14,
01877
Bischofswerda
Tel.:
03594/709015
Fax:
Email:
kontakt@zws-
Photovoltaikanlagen
etc. möglich;
Strom- und Wärmespeicher nicht
abgeneigt
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
Möglich, k.A.
keine
genauen
Angaben
33
und Solartechnik
berlin.de
Web:
www.zwsberlin.de
Ausführung zu ZBP Zimmermann & Becker: Eisspeicher
Hierfür wird eine Regenwasserzisterne im Erdreich versenkt. Der Behälter enthält
Rohrschlangen und ist mit Wasser gefüllt. Das Wasser ist aufgefangenes Regenwasser i.d.R.
von 5°C bis 10°C. Die Wärmepumpe entzieht nun dem Wasser Energie, bis das Wasser
gefroren ist. Im Sommer wird der Effekt zum Erwärmen des Wassers und damit zur Kühlung
des Hauses genutzt. Für ein Einfamilienhaus werden ca. 8m³ Wasser benötigt, es wurden
aber auch schon Behälter für bis zu 600m³ angefertigt. Die Vorteile an diesem Verfahren sind,
dass keine Genehmigung wie bei der Geothermie notwendig ist, keine Bohrkosten anfallen
und die Gesamtkosten geringer als beim Bohren ausfallen. ZBP hatte bisher schon mehrere
Anläufe dieses Verfahren umzusetzen, die jedoch scheiterten. Herr Becker ist dennoch
weiterhin sehr interessiert an der Umsetzung eines solchen Projekts.
Die kontaktierten Firmen bieten vor allem thermische Speicher für kleine Mengen in der
Warmwasserversorgung an. Diese Pufferspeicher wurden insbesondere im Zusammenhang
mit Solarthermie angeführt.
Trotz Nachfrage wurden genaue Angaben zur Nachrüstung und den möglichen finanziellen
Kosten nur ein Mal gemacht, da jede Anlage spezifisch auf das Gebäude abgestimmt werden
muss. Auch konkret für ein Gebäude mit 30 bis 40 bestehenden Wohneinheiten wurde keine
klare Aussage von den Firmen getroffen.
Zentral für den sinnvollen Umgang mit thermischen Energiespeichern ist die energetische
Sanierung des Wohngebäudes. Diese Maßnahme erzielt derzeit die größte Wirkung, da sich
aus ihr die erforderlichen Speichermengen ergeben.
.
34
4 Exkurs: Das Mehrfamilienhaus als Kraftwerk
Die Ausführungen zu den elektrischen Energiespeichern haben gezeigt, dass diese Art der
Speicherung bisher im großen Umfang noch nicht etabliert ist. Es existieren aktuell keine
Standardlösungen. Vielversprechender scheint die Nutzung der Wohngebäude als elektrische
Klein-Kraftwerke, so genannte Energieplushäuser3 (Anlage 1: Bosch. Mehrfamilienhaus als
Energieplushaus). Die folgenden Ausführungen sollen Möglichkeiten der elektrischen
Generierung und Nutzung aufzeigen.
Eine Solaranlage auf dem Dach der Wohngebäude kann solarthermisch für das Heizen und
für Warmwasser genutzt werden, bspw. nutzen dies bereits die Solarsiedlung in Oberburg
(Anlage 2) und das Mehrfamilienhaus in Moosburg (Anlage 3). Es besteht ferner die
Möglichkeit, den durch Solarvoltaik gewonnenen Strom an Energieversorger lukrativ zu
verkaufen. Aufgrund der Reduzierung der staatlichen Zulagen für regenerativ erzeugten
Strom, wird der Eigenverbrauch immer attraktiver. So können beispielsweise die elektrischen
Pumpen einer Geothermieheizung betrieben werden oder der Strom für elektrischen
Verbrauch auf Gemeinschaftsflächen genutzt werden, bspw. für das Flurlicht.
Eine weitere Option ist die Installation einer oder mehrerer Kleinwindkraftanlagen auf dem
Dach4. Wo früher Antennen standen, könnten zukünftig kleine Windräder stehen – ob hierfür
sogar die Befestigung der ehemaligen Antennen genutzt werden kann, müsste geprüft werden.
Der gewonnene Strom kann wiederum an externe Energieversorger verkauft, für das
Betreiben
der
Geothermieheizung
genutzt
oder
für
den
Stromverbrauch
auf
Gemeinschaftsflächen verwendet werden. Von Interesse hierbei ist, dass „Nur BadenWürttemberg, Bayern und Sachsen [...] Baugenehmigungsfreiheit für Kleinwindanlagen mit
einer Größe von bis zu zehn Metern Nabenhöhe und 40 Quadratmetern Rotorfläche.“ (TOnline Wirtschaft 2012) haben.
Auch bestünde die Möglichkeit, das Dach an externe Anbieter zu vermieten oder zu
verpachten, die die Fläche für eine Solar- oder Windkraftanlage nutzen. Beispiele sind die
Solaranlage auf einem Mehrfamilienhaus der Wohnungsbaugesellschaft der Stadt Erlangen
3 Energieplushäuser werden auch Plus-Energie-Häuser genannt. Beide Begriffe stehen für ein Haus, das
mehr Energie erzeugt, als es selbst von außen bezieht und i.d.R. mehr Energie als seine Bewohner
verbrauchen können. Durch diese positive Energiebilanz übertrifft es die anderen Standards, wie bspw.
Passivhäuser oder Niedrigenergiehäuser.
Es gibt bereits ein zum Plus-Energie-Haus saniertes Gebäude in Darmstadt (vgl. Grund-Ludwig 2012).
4 Windkraftanlagen sind jedoch nicht für jeden Standort sinnvoll und die Wartung ist recht aufwendig, daher
lohnt sich die Prüfung der Vor- und Nachteile einer Installation und auch welche Art der Kraftanlage
gewählt wird. Eine erste Hilfestellung bietet die Internetseite von Modernus.
35
(Anlage 4) und die Photovoltaikanlage auf dem Dach der 121. Mittelschule in Dresden-Prohlis
(Anlage 5). Die Einnahmen der Pacht sind damit für Wohnungsgenossenschaften ein
zusätzliches Einkommen und können Wohnnebenkosten reduzieren.
Als Alternative zu konventionellen Gasheizungen ist ein Blockheizkraftwerk, ein so genanntes
Mini-BHKW bzw. Klein-BHKW, denkbar. BHKW sind erdgasbetriebene Kolbenmaschinen
gekoppelt mit einem elektrischen Generator. Während die elektrische Energie im Haus
eigengenutzt oder auch gewinnbringend verkauft werden kann, dient die Abwärme der
Maschine der Heizung und der Warmwasseraufbereitung im Gebäude. Es gibt eine Vielzahl
kommerzieller Hersteller5 von denen insbesondere Senertec (Dachs) und Schnell neben
Bosch, Buderus und Viessmann genannt seien sollen (Anlage 6: Klein-Blockheizkraftwerke.
Wenn die Heizung Strom erzeugt). Die Technik der BHKW befindet sich bereits auf einem
hohen technischen Niveau.
Aktuell werden Szenarien diskutiert, in welchen Mini-BHKW als Regelkraftwerk gegenüber der
volatilen regenerativen Energien wirken sollen (vgl. Heß 2011). Die Leistungsklasse für
Mehrfamilienhäuser sind dazu sehr gut geeignet. Die Vergütung von Regelleistung ist zudem
höher als die Erzeugung einer Grundlast.
Bei der Nutzung des Mehrfamilienhauses als Stromproduzent ist zu beachten, dass die
Wohnungsgenossenschaft als eine Art Energieversorger auftritt, wenn der erzeugte Strom
durch die Mieter „eigenverbraucht“ wird. Dies ist technisch (u.a. mehrere Stromzähler) und
juristisch abzuklären.
Der Vorteil dieser Handhabung ist, dass die Wohnungen für Mieter attraktiver wirken, da
insgesamt geringere Warmkosten für die Wohnung zu erwarten sind.
5 Eine Liste der BHKW Hersteller findet sich auf www.blockheizkraftwerk.org/hersteller
36
Quellenverzeichnis
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Blockheizkraftwerk.org. Wirtschaftlichkeit, Kosten und Förderung. Herstellerliste für BHKW.
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Eggenstein-Leopoldshafen/Bonn.
http://www.bine.info/pdf/publikation/basis1905internetx.pdf (abgerufen am 21.06.2007)
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fluktuierender Energiequellen. Dissertation, Technische Universität Chemnitz.
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Summer Meeting 2001, Vancouver, 15.-19.07.2001.
38
Modernus: Vorteile und Nachteile von Kleinwindkraftanlagen für Einfamilienhäuser/
Mehrfamilienhäuser.
http://www.modernus.de/kleinwindkraftanlagen-einfamilienhaus-mehrfamilienhaus/vorteilenachteile-vertikal-horizontal
NZZ online. Neue Züricher Zeitung (2006): Wärmetransport im Lastwagen. Einsatz von
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40
Anlage
Anlage 1: Bosch. Mehrfamilienhaus als Energieplushaus. (2010)
http://www.sbz-online.de/Gentner.dll/04-mfh_MjgxOTYz.PDF
Anlage 2: Solarsiedlung in Oberburg.
Solar-Mehrfamilienhäuser von Jenni Energietechnik AG.
http://www.jenni.ch/pdf/Partner_Solar-Bauprojekte.pdf
Anlage 3: Mehrfamilienhaus in Moosburg.
Modernisierung in Niedrigenergiehaus im Bestand, Solare Trinkwassererwärmung und
Heizungsunterstützung.
http://www.solaranlagenbayern.de/fileadmin/user_upload/pdf/referenzen/moosburg_85368_mehrfamilienhaus_gas
_brennstoffeinsparung_85.pdf
Anlage 4: Solaranlage in einem Mehrfamilienhaus der GEWOBAU–Erlangen
im Wohngebiet „Am Anger“, Wohngebäude „Fließbachstr. 18 – 22“, Dokumentation zu den
Heizperioden 2002/2003 und 2004/2005.
http://www.erlangen.de/Portaldata/1/Resources/030_leben_in_er/dokumente/amt31/31_Energi
e_B_4solflies.pdf
Anlage 5: „Sonnenstrom für Umweltbildung“.
Erstes Dresdner Stiftungskraftwerk fördert umweltpädagogische Arbeit.
http://www.uzdresden.de/fileadmin/user_upload/downloads/Projektbeschreibung_PVProhlis_4.
pdf
Anlage 6: Klein-Blockheizkraftwerke. Wenn die Heizung Strom erzeugt.
Energieagentur NRW.
http://www.mein-haus-spart.de/_database/_data/datainfopool/klein-bhkw.pdf
41
Hintergrundinformation
Sonnenenergie sehr effizient in Strom um. Bei einer Nennleistung von 225 Watt erreicht
die Anlage einen Wirkungsgrad von 13,7 Prozent.
In Mietwohnungen ist das regelmäßige Lüften sehr wichtig. Wer nicht oder zu selten für
einen Luftwechsel in der Wohnung sorgt, riskiert Schäden durch Schimmel. Diese sind
nicht nur ein Risiko für die Gesundheit der Bewohner: Die Beseitigung von Schimmel kann
Vermieter, aber auch den Mieter, teuer zu stehen kommen. Eine Anlage zur kontrollierten
Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung bringt rund um die Uhr zuverlässig frische
Luft und ein angenehmes Klima in alle Wohnungen. Die Lüftung Logavent HRV der Bosch
Thermotechnik-Marke Buderus etwa erreicht einen Wärmebereitstellungsgrad von bis zu 91
Prozent. Mit einer Kilowattstunde Strom gewinnt sie bis zum 30fachen an Energie. Weiterer Vorteil: Allergiker können dank eingebauter hochwertiger Staub- und Pollenfilter durchatmen.
Im Heizungskeller unseres Beispiel-Mehrfamilienhauses dreht sich alles um effiziente GasNutzung: Erdgasbetriebene Blockheizkraftwerke (BHKW) sind wahre Effizienzwunder – sie
nutzen durch Kraft-Wärme-Kopplung die bei der Stromerzeugung entstehende Abwärme
zum Heizen und zur Trinkwassererwärmung. Besonders effizient arbeitet das neue BHKWKomplettmodul Loganova EN20 von Buderus. Die Anlage erreicht einen Gesamtwirkungsgrad von 94,6 Prozent (33,9 Prozent elektrischer Wirkungsgrad, 60,7 Prozent Wärmewirkungsgrad bei Auslegung 80/60 Grad Celsius). Mit einer elektrischen Leistung von 19 Kilowatt und einer thermischen Leistung von 34 Kilowatt ist das BHKW auf die Bedürfnisse des
Gebäudes zugeschnitten. Ein Gas-Brennwertgerät Logamax Plus GB 162-100 von Buderus
deckt den Spitzenlastbedarf zuverlässig ab.
Das Ergebnis
Mit den fünf Technik-Komponenten – effiziente Hausgeräte, Photovoltaik, kontrollierte
Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung, Blockheizkraftwerk und Gas-Brennwertgerät
– wird aus einem Primärenergiebedarf von 406 Megawattstunden pro Jahr ein Primärenergieüberschuss von 21 Megawattstunden pro Jahr. Bei einer Wohngesamtfläche von insgesamt 2 520 Quadratmetern ist das ein Bilanzplus von rund acht Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr. Auch in einem Mehrfamilienhaus ist also eine Plusbilanz möglich. Dass
sich ein Energie-Plus-Mehrfamilienhaus nicht nur energetisch, sondern auch finanziell
rechnet, zeigt ein Blick auf die Investitions- und Einsparungskosten: Anschaffung und Installation der fünf beschriebenen Komponenten kosten rund 584 000 Euro. Pro Jahr lassen
sich 50 000 Euro mit den beschriebenen Maßnahmen einsparen – bezogen auf ein Gebäude mit Gas-Brennwertheizung. Selbst bei konstanten Energiepreisen ist also schon nach
etwa zwölf Jahren die Gewinnschwelle erreicht.
Sonnenhaus - hoher Wohnkomfort und zukunftsweisendes Energiekonzept
MFH 1: Realisiert 2007
MFH 2
MFH 3
Südansicht Gebäude 2 + 3 in Oberburg (Projekt ist baubewilligt / Baustart: noch offen)
Situationsplan
Solarsiedlung Oberburg bei Burgdorf: Mehrfamilienhäuser mit 100% Solar-Heizung und Warmwasseraufbereitung
Mehrfamilienhaus 1:
3 x 4.5 Zi-Wohnung à 115 m2 NWF
3 x 5.5 Zi-Wohnung à 130 m2 NWF
2 x 2.5 Zi-Wohnung à 82 m2 NWF
Mehrfamilienhaus 2 + 3:
je 4 x 4.5 Zimmer-Wohnung à 115 m2 NWF
je 4 x 5.5 Zimmer-Wohnung à 130 m2 NWF
je 180 m2 Kollektoren und 120`000 l Solarspeicher
Bauherrschaft / Bauführung: Jenni Liegenschaften AG
Architektur:
Aeschlimann Architekten GmbH
Solartechnik:
Jenni Energietechnik AG
Weitere Informationen:
www.jenni.ch, Rubrik „Heizen mit der Sonne“
Besichtigungen auf Anfrage möglich
Wir unterstützen Sie bei der Verwirklichung Ihrer Bauprojekte
• Unterstützung bei der Planung/Konzeption der Heizungs- und Solartechnik sowie Lieferung
der entsprechend aufeinander abgestimmten Komponenten durch Jenni Energietechnik AG
• Realisierung von Solar-Mehrfamilienhäusern/Überbauungen nach Ihrer Architektur durch
Jenni Liegenschaften AG
• Realisierung von Solar-Mehrfamilienhäusern/Überbauungen analog unseren
Plänen der Solar-Mehrfamilienhäuser in Oberburg durch Jenni Liegenschaften AG
• Verkauf zum Sonderpreis der Detailpläne (Architektur/Ingenieur) unserer in Oberburg
realisierten Solar-Mehrfamilienhäuser, um diese andernorts ebenfalls zu bauen
Stand: 2012
Erneuerbare Energien:
Sonne, Holz, WRG, Nah-/Fernwärme...
Jenni Energietechnik AG
Umweltgerechter Liegenschaftsbau
Jenni Liegenschaften AG
Lochbachstrasse 22 / Postfach
CH-3414 Oberburg bei Burgdorf
Lochbachstrasse 22 / Postfach
CH-3414 Oberburg bei Burgdorf
T 034 420 30 00 / F 034 420 30 01
[email protected] / www.jenni.ch
T 034 420 30 00 / F 034 420 30 01
[email protected] / www.jenni.ch
Vorbildlich modernisiertes Gebäude
Mehrfamilienhaus Moosburg
85368 Moosburg
636 m², 8 Wohneinheiten mit gesamt 11 Personen
Modernisierung in Niedrigenergiehaus im Bestand
Solare Trinkwassererwärmung und Heizungsunterstützung.
Umstellung von Öl-Einzelöfen auf Zentralheizung im Feb. 2007:
Solarheizkessel SolvisMax Gas-Brennwert 750 l,
& Solarschichtspeicher SolvisStrato 750 l,
3 Großflächen-Kollektoren SolvisFera F-802-S (25,2 m2),
Aufdach, Süd
Verbrauch Öl-Einzelöfen ohne zentrale Warmwasserbereitung bis 2007:
Vorher: 159.200 kWh pro Jahr; 250 kWh/m²
Mit SolvisMax Gas-Brennwertheizkessel und Solaranlage seit 2007:
Nachher: 24.907 kWh pro Jahr;
39 kWh/m²
85 % Brennstoff + 90 % CO2 gespart!
realisiert von:
Niedermaier GmbH,
Heizung Sanitär
84432 Hohenpolding
Die neue Heizung.
Die Maßnahmen auf einen Blick.
Solarheizkessel
Solarspeicher Solarkollektor Fassade Fenster Haustür Keller
Dach
Lüftung
11.2008
Solaranlage in einem Mehrfamilienhaus der
GEWOBAU–Erlangen im Wohngebiet
„Am Anger“
Wohngebäude „Fließbachstr. 18 – 22“
Dokumentation zu den Heizperioden 2002/2003 und 2004/2005
Erlanger Stadtwerke AG
Amt für Umweltschutz und Energiefragen - Stadt Erlangen
GEWOBAU-Erlangen
Dezember 2005
1 Zusammenfassung
Im Rahmen der energetischen Sanierung im Wohngebiet „Am Anger“ wurde Anfang 2002
eine thermische Solaranlage - Solarflachkollektoren mit 16,8 m2 - zur Warmwasserbereitung
beim Wohngebäude „Fließbachstr. 18 – 22“ errichtet. Dabei wird bei einem 750 l - Trinkwasserspeicher die Wärme über einen im Speicher eingebauten Wärmetauscher direkt an das
gespeicherte Trinkwasser abgegeben.
Die Solaranlage lieferte für die Heizperiode 2002/2003 11.460 kWh/a und für 2004/05
9.183 kWh/a. Bezogen auf den gesamten Wärmeverbrauch des Gebäudes sind dies
8 -10 %. Eine Abschätzung zeigt, dass die Solaranlage einen Anteil von 40 % beim Warmwasser-Nutzwärmeverbrauch hat. Unter Berücksichtigung der Zirkulationsverluste hat die
gelieferte Solarwärme einen Anteil vom Warmwasser-Wärmeverbrauch von 22 – 25 %.
Der Ertrag einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung für Mehrfamilienhäuser lässt sich
durch den Einsatz eines Heizwasser-Pufferspeichers gegenüber dem dargestellten Konzept
steigern, da hier die Solarwärme flexibler genutzt werden kann. Im Sanierungsgebiet Erlangen-Ost wurde daher bei einem Wohngebäude in der Ritzerstraße eine Anlage mit Heizwasser-Pufferspeicher realisiert, deren Ergebnisse in nächster Zeit in einer Dokumentation veröffentlicht werden.
Für den Betrieb von Solaranlagen in Mehrfamilienhäusern wird eine Fernüberwachung empfohlen, um so mögliche Störungen sofort beheben zu können.
2
2 Einleitung
Im Rahmen der energetischen Sanierung von Wohngebäuden mit rd. 1.000 Wohneinheiten
im Wohngebiet „Am Anger“ wurde Anfang 2002 eine thermische Solaranlage zur Warmwasserbereitung beim Wohngebäude „Fließbachstr. 18 – 22“ errichtet. Die Kosten der Solaranlage wurden großteils freundlicherweise von der Fa. Buderus getragen. Die Anlage wurde
weiterhin von der Stadt Erlangen mit rd. 2.500,-- € gefördert.
Die Solaranlage wird seit 1.02.2002 betrieben. Nachfolgend soll die Energiebilanz für zwei
Heizperioden vom 1. Juni 2002 bis zum 31. Mai 2003 und vom 1. Juni 2004 bis zum
Mai 2005 dokumentiert werden. Die Werte für die Heizperiode 2003 / 2004 werden nicht dargestellt, da dieses auf Grund einer aufgetretenen Störung nicht repräsentativ sind.
Die Betriebsführung der gesamten Heizungsanlage obliegt den Erlanger Stadtwerken.
Aus den Erfahrungen mit dieser Anlage lassen sich Hinweise für die Errichtung weiterer Anlagen bei Mehrfamilienhäusern ableiten.
3 Anlagenkonzept
Die Heizungsanlage besteht aus einem wandhängenden Erdgas-Brennwertkessel und zwei
Warmwasserspeichern mit innenliegenden Wärmetauschern. Der in Fließrichtung erste
Speicher erwärmt das Trinkwasser über die Solaranlage. Der zweite Trinkwasserspeicher
mit dem selben Speichervolumen wird vom Brennwertkessel beheizt. Die Zirkulationsverluste
der Warmwasserverteilung deckt der zweite Speicher. Gemessen wird monatlich die Wärmemenge, die der Heizkessel für Raumwärme und Warmwasser bereitstellt und die Wärmemenge, die die Solaranlage liefert.
3
Anlagendaten
Wohngebäude
Wohneinheiten
18
Beheizte Wohnfläche
1210 m2
Rechnerischer Heizwärmebedarf
rd. 70 kWh/m ,a
Dachneigung, Gebäudeausrichtung
320, Süd
2
Heizungsanlage
Heizungskessel
Brennwertwandkessel
60 kW- Buderus
Speicher-Wassererwärmer, dem Heizungskessel zugeordnet
750 Liter, Fabrikat Buderus
Solarkollektoren
Solarflachkollektoren – Buderus
LOGASOL SKS 3.0-s
Kollektorfläche
16,8 m²
etwa 0,4 m² je Mieter
Speicher-Wassererwärmer mit Trinkwasser gefüllt; die
Wärme wird über einen im Speicher eingebauten Wärmetauscher direkt an das gespeicherte Trinkwasser
abgegeben. Für die Zirkulationsverluste erfolgt keine
solare Wärmebereitstellung
750 Liter, Fabrikat Buderus
Abb. 1:
Die nach Süden ausgerichteten 8 Kollektoren
Abb. 2:
Die zwei 750 l Trinkwasserspeicher mit der Pumpenanlage zur Zirkulation der Solarflüssigkeit (rechts an
der Wand)
4
4 Ergebnisse für die Heizperioden 2002/03 und 2004/05
Die Heizanlage wird über eine Ecomatic 2000 Regelung gefahren. Der abgesenkte Heizbetrieb beginnt um 22.30 Uhr und endet um 4.30 Uhr. In dieser Zeit findet keine Warmwasserbereitung statt. Die Zirkulationspumpe läuft rund um die Uhr sechs mal pro Stunde jeweils
drei Minuten lang. Die Maximaltemperatur des Solarspeichers ist auf 65 °Celsius eingestellt.
Eine höhere Temperatur darf nicht zur Verfügung gestellt werden, um Verbrühungen zu vermeiden. Thermostatisch gesteuerte Mischer, die die Temperatur herunterregeln, sind in der
erforderlichen Dimension nicht erhältlich. Bei den vergangenen Inspektionen wurde festgestellt, dass bei entsprechender Sonneneinstrahlung bereits mittags die Solarpumpen abgeschaltet waren, weil die Speichertemperatur 65°Celsius erreicht hatte.
Bei der Trinkwassererwärmungsanlage im Objekt Fließbachstraße 20 handelt es sich nach
DVGW-Arbeitsblatt W551 um eine Großanlage mit Vorwärmstufe (hier der Solarspeicher).
Um das Legionellenwachstum zu unterbinden, muss das Wasser in der Vorwärmstufe mindestens einmal am Tag auf 60°Celsius erwärmt werden. Das geschieht, indem täglich von
20.00 bis 22.00 Uhr eine Pumpe das Wasser aus dem Solarspeicher in den zweiten Speicher pumpt. Hier wird es auf 60 °Celsius erwärmt und in den Solarspeicher zurückgeführt.
Temperaturmessungen am Solarspeicher haben ergeben, dass die Stillstandsverluste sowie
die Warmwasserentnahme zwischen 22.00 Uhr und Sonnenaufgang nicht ausreichen, um
den Speicher nach der Durchwärmung genügend auszukühlen. Die Temperatur am Austrittsstutzen fiel selten unter 40°Celsius und nie unter 30°Celsius.
Die Problematik des Verbrühschutzes und der Gewährleistung von größtem Hygienestandard lässt es geraten erscheinen, die Solarwärme in einem Heizwasserspeicher („Pufferspeicher“) zu sammeln, da hier die Solarwärme flexibler genutzt werden kann.
5
Messergebnisse
1. Abgegebene Wärmemenge Heizkessel für Raumwärme und Warmwasser, gemessen
2. Benötigte Warmwassermenge
02/03
04/05
102.291 kWh/a
107.861 kWh/a
471 m3/a
ca. 400 m3/a
(aus 03 / 04)
3. Gesamte Nutzwärmemenge für die
Warmwasserbereitung
0,00116 kWh/(l*K) * 471.000 l
* (60 – 10) K= 27.320 kWh/a
berechnet aus Warmwassermenge
entspr. rd. 22,6 kWh/m2,a
(bezogen auf die beizte Wohnfläche)
(aus Heizkessel und Solaranlage)
Erfahrungswert
15 kWh/m2*a
bzw. 18.130 kWh/a
5. Gesamte Wärmenge für Warmwasser
22,6 kWh/m2,a + 15 kWh/m2,a
= 37,6 kWh/m2,a
4. Zirkulationswärmeverluste
(aus Heizkessel und Solaranlage)
zum Vergleich Wert gemäß Heizkostenabrechnungsverfahren
6. Gesamte Heizungs-Wärmemege
bzw. rd. 45.500 kWh/a
23.000 kWh/a
19 kWh/m2,a
15 kWh/m2*a
bzw. 18.130 kWh/a
34 kWh/m2,a
bzw. rd. 41.100 kWh/a
2*470m3*(60-10) kWh/a =
47.000 kWh/a
68.153 kWh/a
entspr. 54 kWh/m2,a
76.000 kWh/a
entspr. 63 kWh/m2,a
7. Abgegebene Wärmemenge durch
den Solarkollektor, gemessen
11.461,9 kWh/a
9.183 kWh/a
Solar-Deckungsanteil, bezogen auf
3.
rd. 43 %
40 %
Solar-Deckungsanteil, bezogen auf
5.
25 %
22 %
Solar-Deckungsanteil, bezogen auf
1. + 7.
rd. 10 %
rd. 8 %
1. – (5. – 7. )
6
Wärmelieferung
Solarw ärme
Heizkessel
30.000,00 kWh
25.000,00 kWh
20.000,00 kWh
15.000,00 kWh
10.000,00 kWh
5.000,00 kWh
0,00 kWh
Jun 04 Jul 04 Aug 04 Sep 04 Okt 04 Nov 04 Dez 04 Jan 05 Feb 05 Mrz 05 Apr 05 Mai 05
Abb. 3:
Nach dem Heizkessel gelieferte Wärmemengen/monatswerte für die
Heizperiode 04 / 05
Während der Monate Juni 2004 bis August 2004, bei denen wegen der günstigen Witterung die Heizungsanlage im wesentlichen nur einen Beitrag zur Warmwasserbereitung lieferte, hatte die Solaranlage einen Anteil von rd. 36 %. Insgesamt wurden 10.355 kWh an
Wärme für die Warmwasserbereitung – Nutzwärme und Zirkulation – in diesen Monaten verbraucht. Die Solaranlage lieferte für die Heizperiode 04 / 05 9.183 kWh/a. Bezogen auf
den gesamten Wärmeverbrauch des Gebäudes – 117.044 kWh/a – sind dies rd. 8 %.
Geht man von einem Warmwasserbedarf von 400 m3/a aus, so erhält man für das gesamte
Gebäude einen Nutzwärmebedarf von rd. 23.000 kWh/a. Bezogen auf diese Wärmemenge
würde die Solaranlage dann rd. 40 % decken. Bei der Warmwasserbereitung in Mehrfamilienhäusern kommen aber noch die Zirkulationsverluste hinzu. Bei Berücksichtigung der Zirkulationsverluste auf Grund von Erfahrungswerten bekommt man einen WarmwasserWärmeverbrauch von rd. 41.000 kWh/a. Bezogen auf diese Wärmemenge hat die Solaranlage einen Anteil von rd. 22 %.
Der Wärmemengen-Anteil der Solaranlage lässt sich bei zukünftigen Anlagen bestimmt steigern. Dies betrifft folgende Punkte:
•
Problematik des Verbrühschutzes, d.h. mittagliche Abschaltung bei hohem Solarertrag
•
Gewährleistung von größtem Hygienestandard, d. h. abendliche Zusatzerwärmung des
Speicherwassers durch den Heizkessel
•
Lieferung von Wärme für die Deckung der Zirkulationsverluste.
Bei zukünftigen Anlagen der GEWOBAU sollte die Solarwärme in einem Heizwasserspeicher
mit möglichst großem Speichervolumen gespeichert werden. Hierdurch können die genannten Probleme zu großem Teil gelöst und damit der Solarertrag gesteigert werden. Dies wurde bei der Anlage in Erlangen-Ost/Ritzerstraße realisiert.
7
Projekt der Stiftung „epochal“
gemeinnützige Stiftung des Umweltzentrums Dresden
unter dem Dach der Bürgerstiftung Dresden
„Sonnenstrom für Umweltbildung“
Erstes Dresdner Stiftungskraftwerk fördert umweltpädagogische Arbeit
Zielsetzung
Mit dem Stiftungskraftwerk verfolgt die Stiftung „epochal“ folgende Ziele:
! eine ökologische Form der Vermögensanlage mit dauerhaften, stabilen Erträgen
! den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien am Standort Dresden
! eine finanzielle Absicherung der Umweltbildungsarbeit in der Plattenbausiedlung
Dresden-Prohlis
! die Gewinnung weiterer Zustifter
Die Photovoltaikanlage
Die Stiftung „epochal“ beschreitet mit dem Bau einer
Photovoltaikanlage einen neuen Weg bei der Anlage des
Stiftungsvermögens. Da der Bau eines Stiftungskraftwerkes bislang im Regierungsbezirk Dresden noch nie
vorgekommen ist, mussten zunächst die organisatorischen
und rechtlichen Rahmenbedingungen mit der Stiftungsaufsichtsbehörde geklärt werden. Zwischen der Bürgerstiftung Dresden als Treuhänder und dem Regierungspräsidium Dresden wurde vereinbart, die Photovoltaikanlage zu verpachten und die Pachterträge dem Stiftungszweck gemäß zu verwenden. Die Erträge sind langfristig gesichert, weil die Vergütung des
umweltfreundlichen Solarstroms nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz für die kommenden
20 Jahre festgelegt ist.
Als Standort für die Photovoltaikanlage wurde das Dach
der 121. Mittelschule in Dresden-Prohlis gewählt. Die
Dachfläche steht der Stiftung „epochal“ kostenlos zur
Verfügung, da die Stadt Dresden auf diese Weise den
Ausbau der Solarenergie fördert. Die Anlage besteht aus
132 Solarmodulen, die pro Jahr rund 25.000 Kilowattstunden Strom erzeugen werden. Das entspricht 50 bis
85 Prozent des Stromverbrauchs der Schule und einer
Kohlendioxideinsparung von 21,6 Tonnen. Hersteller der
Module ist das Dresdner Unternehmen Solarwatt AG. Die
Firma SachsenSolar AG installierte die Photovoltaikanlage, die am 17. Januar 2006 eingeweiht
wurde.
Der Förderzweck
Die Erträge der Photovoltaikanlage werden den finanziellen
Grundstock für die künftige Umweltbildungsarbeit des Umweltzentrums in der neuen Außenstelle Dresden-Prohlis liefern. Diese
wird am 7. Juli 2006 als Gemeinbedarfseinrichtung in direkter
Nachbarschaft zur 121. Mittelschule eröffnet, auf dem Gelände einer
ehemaligen Ziegelei. Die Lehmgrube der alten Ziegelei entwickelte
sich in den vergangenen Jahrzehnten zu einem einzigartigen Biotop,
das heute als Flächennaturdenkmal ausgewiesen ist. Zahlreiche
seltene Arten, wie zum Beispiel der Eisvogel, sind anzutreffen. Das
Flächennaturdenkmal wurde dem Umweltzentrum durch die Landeshauptstadt Dresden zur Pflege und Nutzung übertragen.
Die Umweltbildungsstation wird zurzeit am Rande des
Biotops errichtet. Ab Sommer 2006 wird die „Stadtlinde –
Arbeitskreis Umweltlernen“ Klassen der benachbarten
Schulen und andere Gruppen zu Projekttagen, Exkursionen und Naturbeobachtung in die neue Außenstelle
einladen. Kinder und Jugendliche sollen hier die Natur
unmittelbar erleben, ökologische Zusammenhänge kennen
lernen und zum verantwortungsvollen Umgang mit der
Umwelt angeregt werden.
Der Arbeitskreis Umweltlernen bietet bereits seit 1994 teils
ehren-, teils hauptamtlich umweltpädagogische Veranstaltungen im Umweltzentrum Dresden an. Künftig wird die
„Stadtlinde“ ihre Arbeit in den Stadtteil Prohlis ausdehnen.
Durch die Photovoltaikanlage erhält auch die Mittelschule
neue Möglichkeiten, Schülerinnen und Schüler praxisnah an
die Themen Solarenergienutzung und erneuerbare Energien
heranzuführen. Ein ehrenamtlicher Mitarbeiter der „Stadtlinde“ hat bereits erste entsprechende Unterrichtseinheiten in
der Schule durchgeführt.
Der Projektstandort
Das Projekt „Sonnenstrom für Umweltbildung“ ist im Stadtteil Prohlis angesiedelt, der
zweitgrößten Plattenbausiedlung Dresdens. Das Gebiet mit rund 25.000 Einwohnern nimmt
am Bund-Länder-Programm „Stadtteile mit besonderem Entwicklungsbedarf – Die Soziale
Stadt“ teil. Prohlis ist vorwiegend durch sechs-, zehn- und siebzehngeschossige Hochhäuser
geprägt. Probleme sind die unausgewogene Sozialstruktur, Arbeitslosigkeit, zunehmender
Wohnungsleerstand, ein Mangel an Kultur- und Freizeiteinrichtungen, Defizite in der
Wohnumfeldgestaltung und fehlende Grünzüge.
Bewusst hat sich die Stiftung „epochal“ entschieden, Kindern
und Jugendlichen aus diesem benachteiligten Stadtteil
zusätzliche Bildungs- und Freizeitmöglichkeiten zu bieten.
Besonders das Erleben und Entdecken der Natur ist jungen
Menschen in ihrem alltäglichen Lebensumfeld bisher kaum
möglich. Die neue Außenstelle des Umweltzentrums wird
vielfältige Gelegenheiten zur Naturerfahrung eröffnen.
An-Stiftung zur Ausweitung des Projektes
Anfang 2005 erhielt die Stiftung „epochal“ von der Stadtentwässerung Dresden GmbH eine
50.000 Euro-Zustiftung, die das hier vorgestellte Projekt ermöglichte. Die Stadtentwässerung
konnte für das Projekt gewonnen werden, weil sie sich als Unternehmen ebenfalls für
Umweltbildung und erneuerbare Energien einsetzt. Durch diese Zustiftung konnte ein Drittel der
132 Solarmodule finanziert werden.
Für zwei Drittel der
Solarmodule sucht die
Stiftung
„epochal“
weitere Zustifter, damit
noch mehr Sonnenstrom zugunsten der
Umweltbildungsarbeit in
Prohlis erzeugt werden
kann.
Als weitere Förderer beteiligten sich bereits die Solarwatt AG und die SachsenSolar AG mit
Zustiftungen von 2.000 und 1.750 Euro an der Photovoltaikanlage.
Bei der feierlichen Einweihung der Photovoltaikanlage
am 17. Januar 2006 nahmen der Geschäftsführer der
Stadtentwässerung Dresden GmbH, Johannes Pohl,
Thomas Hoffmann von der SachsenSolar AG und Dieter
Winkler von der Solarwatt AG als symbolischen Dank für
ihr Engagement die ersten Stifterbriefe der Stiftung
„epochal“ entgegen.
Es wird angestrebt, auch auf den übrigen Schuldächern
im Stadtteil Prohlis Photovoltaikanlagen aufzustellen, um
so eine langfristige und stabile Basis für die umweltpädagogische Arbeit vor Ort zu schaffen.
Partner
Das vorgestellte Projekt der Stiftung „epochal“ trägt darüber hinaus dazu bei, die
Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern zu intensivieren. Zu nennen sind hier zum
Beispiel die Stadtverwaltung Dresden, die Schulen und weitere Kinder- und Jugendeinrichtungen im Stadtteil Prohlis, ehrenamtliche Naturschützer, die Stadtentwässerung
Dresden GmbH und weitere potentielle Stifter sowie ansässige Unternehmen.
Weitere Informationen
Weitere Informationen zum Projekte und zur Möglichkeit, sich als Zustifter am ersten Dresdner
Stiftungskraftwerk zu beteiligen, erhalten Sie unter:
Stiftung „epochal“
c/o Umweltzentrum Dresden e.V.
Schützengasse 16-18
01067 Dresden
Tel.: 0351 / 49 43 500
Fax: 0351 / 49 43 400
E-Mail: [email protected]
www.uzdresden.de
Kontoverbindung für Zustiftungen
Umweltzentrum Dresden
Ostsächsische Sparkasse Dresden
BLZ: 850 503 00
Konto-Nr.: 3120 135 800
Bitte vermerken Sie auf dem Überweisungsträger als Verwendungszweck „Zustiftung
Stiftungskraftwerk“.
Geben Sie bei der Überweisung auch Ihre Adresse an, damit wir Ihnen eine Zustiftungsbescheinigung zusenden können.
Klein-Blockheizkraftwerke . Wenn die Heizung Strom erzeugt
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) ist die gekoppelte
Erzeugung von Strom (=Kraft) und nutzbarer Wärme.
Bei kleinen Anlagengrößen, die für die Versorgung
von einzelnen Gebäuden konzipiert sind, so genannten Blockheizkraftwerken (BHKW), ist der wichtigste
und häufigste Anlagentyp der Gas-Ottomotor, der in
der Regel mit Erdgas betrieben wird. Andere Technologien zur Kraft-Wärme-Kopplung verwenden Dieselmotoren, geschlossene Dampfkraftprozesse, Gasturbinen oder Stirlingmotoren. Auch der Einsatz von
Brennstoffzellen im Gebäudebereich zählt zur KWKTechnik.
Klein-Blockheizkraftwerke. Wenn die Heizung Strom erzeugt
Der Gas-Ottomotor arbeitet wie ein Benzin-Automotor,
ist aber auf eine lange Laufzeit hin optimiert. Anstelle
des Getriebes im Auto wird ein Generator eingesetzt,
der die gesamte Antriebsenergie in Strom umwandelt.
Die anfallende Abwärme von Kühlwasser und Abgas
wird zur Beheizung von Gebäuden und zur Trinkwassererwärmung genutzt. Als Brennstoff wird meist
Erdgas eingesetzt, aber auch Heizöl, Biodiesel,
Pflanzenöl, Bio-, Klär- oder Grubengas sind möglich.
Der große Vorteil der KWK-Technik liegt in der effizienten Ausnutzung des Brennstoffes. Dadurch sinkt der
Verbrauch von fossilen Energieträgern wie z.B. Erdgas
oder Kohle, denn der Wirkungsgrad eines BHKW liegt
bei 80 bis 90 Prozent. Damit ist er wesentlich höher als
die getrennte Erzeugung von Wärme und Strom, die im
Mittel etwa 30 Prozent niedriger liegt. Gleichzeitig
werden auch erheblich weniger Umweltschadstoffe freigesetzt. Vor allem zur Reduzierung der KohlendioxidEmissionen lassen sich Blockheizkraftwerke daher hervorragend einsetzen.
Was sind Klein-BHKW?
Der Begriff Klein-BHKW bezieht sich auf Anlagen mit einer elektrischen Leistung von unter 15 kW und
beinhaltet zugleich, dass das gesamte Modul werksseitig fertig montiert geliefert wird und vor Ort nur
noch der Anschluss an Brennstoff, Heizungssystem, Stromverteilung, Regelung und Abgasanlage erfolgt.
Es handelt sich um eine ausgereifte Technik, wobei die Zahl der betriebenen Anlagen in der Deutschland
bei über 10.000 liegt.
Klein-BHKW werden im Normalfall zusätzlich zu einer konventionellen Heizkesselanlage betrieben. Im
Frühjahr und Herbst sowie an mäßig kalten Wintertagen reicht die Leistung des BHKW meist aus, um das
Haus ausreichend zu beheizen. Neben dieser Grundlast ist jedoch auch die Spitzenlast der kälteren Tage
abzudecken, damit auch bei –10 °C Außentemperatur das Haus warm wird. Für diese Spitzenlast wird
der konventionelle Kessel eingesetzt. Klein-BHKW sind nicht auf den Einsatz im Neubau beschränkt, sondern insbesondere für eine Nachrüstung bestehender Gebäude geeignet, so dass gute Einsatzmöglichkeiten im innerstädtischen Altbaubestand, in der Zeilenbebauung der 50er und 60er Jahre
und auch in Hochhäusern der 70er Jahre besteht.
Um zu verdeutlichen, welche Größenordnung bezüglich der Leistung und der Kosten bei Klein-BHKW zu
erwarten sind, werden im Folgenden beispielhaft zwei Anlagentypen beschrieben. Es handelt sich um
eine kleinere Anlage mit 3 kW elektrischer Leistung und eine größere mit 14 kW elektrischer Leistung. Die
kleinere Anlage hat in der Erdgasausführung eine modulierende Leistung von 0,2 – 3 kW elektrisch und
2 –16 kW thermisch. Das entspricht etwa dem maximalen Heizleistungsbedarf von drei neuen Einfamilienhäusern. Die kleinsten auf dem Markt erhältlichen BHKW kosten etwa 3.200 bis 4.800 Euro je kW elektrisch. Da sie an einen vorhandenen Kamin angeschlossen werden können, sind die Montage- und Anbindungskosten relativ gering. Fertig installiert und betriebsbereit ist mit Kosten in der Größenordnung von
3.700 bis 5.700 Euro je kW elektrisch zu rechnen.
Der größere Anlagentyp hat 14 kW elektrische und 32 kW thermische Leistung. Diese Anlagengröße
kostet ca. 1.600 bis 3.000 Euro je kW elektrisch. Da ein eigener Kaminzug benötigt wird, ist der Bauund Installationsaufwand höher, so dass insgesamt von einer Investition in der Größenordnung von
2.500 bis 3.500 Euro je kW elektrischer Leistung auszugehen ist. Der Einsatzbereich des 14 kW-Typs ist
eher bei großen Mehrfamilienhäusern oder Betrieben zu sehen, während der 3 kW-Typ bei günstigen
Einsatzbedingungen ab einem Wärmebedarf von etwa 30.000 kWh pro Jahr wirtschaftlich eingesetzt
werden kann.
Werden Klein-BHKW vom Staat gefördert ?
Eine ganze Reihe von Förderprogrammen und gesetzlichen Regelungen machen den Einsatz von Blockheizkraftwerken wirtschaftlich interessant:
• Die bundeseigene Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) fördert den Einbau von Blockheizkraftwerken
mit zinsgünstigen Darlehen.
• Das Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz (KWKG) regelt die Höhe der Einspeisevergütung, die der örtliche
Stromnetzbetreiber für den eingespeisten Strom bezahlen muss.
• Zusätzlich erhält der BHKW-Betreiber für den verkauften Strom eine Vergütung, die sich nach dem
durchschnittlichen Baseload-Strom der Strombörse EEX (www.eex.de) in Leipzig im jeweils vorangegangenen Quartal richtet, plus den vermiedenen Netznutzungsentgelten.
• KWK-Anlagen mit einem Jahresnutzungsgrad von über 70% sind von der Mineralölsteuer befreit.
• Stromeigenerzeugung aus Anlagen bis 2 MW elektrischer Leistung ist von der Stromsteuer befreit.
Bei der Energieagentur NRW erhalten Sie weitere Informationen über aktuelle Förderprogramme.
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Wirtschaftlichkeit beim Einsatz in Wohngebäuden
Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb ist die Erzielung hoher Laufzeiten, damit sich die hohen
Investitionskosten auf eine möglichst große Menge an produziertem Strom und Wärme verteilen. Bei heutigen Kosten und Energiepreisen muss ein BHKW mindestens 6.000 der 8.760 Stunden des Jahres in
Betrieb sein um wirtschaftlich zu arbeiten. Modulierende BHKW erreichen diese Laufzeiten auch bei kleineren Gebäuden, da sie die Wärmelieferung dem Bedarf besser anpassen können. Bei nicht-modulierenden Systemen werden diese Laufzeiten erst ab einem Heizenergieverbrauch von etwa 70.000 kWh
und mehr erreicht. Im durchschnittlichen Altbaubereich entspricht das einem Wohngebäude mit etwa 6
oder mehr Wohnungen, bei Neubauten etwa 20 und mehr Wohneinheiten. Zu erreichen sind diese
Voraussetzungen, indem als Einsatzgebiet ein Gebäude mit ausreichend hohem Jahresheizenergiebedarf
und ganzjährigem Warmwasserbedarf gewählt wird. In jedem Fall ist das Vorhandensein einer zentralen
Warmwasserversorgung von großem Vorteil, da in diesem Fall auch im Sommer das BHKW einige
Stunden am Tag laufen kann.
Wenn das Klein-BHKW in Abhängigkeit von Raumwärme- und Warmwasserbedarf betrieben wird, ist die
momentane Stromerzeugung meist höher, als der Verbrauch im Haus. Der überschüssige Strom wird dann
in das öffentliche Netz eingespeist. Dafür wird ein Preis nach dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz
(KWKG) vergütet, der meist in der Größenordnung von 8 – 9 Cent je elektrischer kWh liegt. Er setzt sich
zusammen aus dem durchschnittlichen Baseloadstrom der Strombörse Leipzig, den vermiedenen
Netznutzungsentgelten und den Vergütungssätzen nach KWKG. Wenn der Strom dagegen selbst verbraucht wird, ist die Einsparung so hoch wie die Gebühr für den Stromversorger. Dies sind ca. 17 Cent
je kWh. Daher gilt: Je mehr Strom vom Nutzer selbst verbraucht werden kann, um so besser ist die
Wirtschaftlichkeit.
Der wirtschaftliche Vorteil, der mit einem Klein-BHKW bestenfalls zu erzielen ist, reicht nicht aus, um die
Verbindung mehrer Häuser mit einer Nahwärmeleitung in der Straße zu finanzieren. Für
Nahwärmeversorgungen sind größere Module einzusetzen, die spezifisch kostengünstiger sind und
zudem bessere elektrische Wirkungsgrade aufweisen.
Die Instandhaltung der Anlage, die z.B. Ölwechsel oder Generalüberholung des Motors umfasst, wird
meist über einen Voll- oder Teilwartungsvertrag sicher gestellt. Bei einer jährlichen Laufleistung von 6.000
Stunden und – unter Berücksichtigung der üblichen Stillstandszeiten z.B. für Wartung – einer Gesamtlaufzeit von 80.000 Stunden hält die Anlage ca. 15 Jahre. Danach lohnt sich in aller Regel eine Generalüberholung, mit der die Laufzeit noch einmal um die gleiche Zeit verlängert werden kann.
Für den wirtschaftlichen Betrieb eines Klein-BHKW lässt sich daher folgendes zusammenfassen:
• Es wird eine möglichst gleichmäßige und hohe Ausnutzung des produzierten Stroms und der Wärme
im Jahresverlauf benötigt.
• Eine Klein-BHKW-Versorgung ist für Einfamilienhäuser ökologisch immer sinnvoll, aber in der Regel selten wirtschaftlich.
• Gut geeignete Objekte sind große Mehrfamilienhäuser, Betriebe und Gebäude mit Schwimmbädern ab
einem Wärmeenergiebedarf von etwa 40.000 kWh pro Jahr.
Eine Liste mit Herstellern von Klein-BHKW erhalten Sie bei der Energieagentur NRW.
Beispiele zur Wirtschaftlichkeit eines Klein-BHKW
Mehrfamilienhaus
Das Gebäude hat 15 Wohnungen mit durchschnittlich 60 m2 und ein Ladenlokal mit 180 m2. Pro Jahr
werden im Haus 182.000 kWh Erdgas für Heizung und Warmwasser benötigt. Der Hausbesitzer betreibt
das Ladenlokal und wohnt in einer der Wohnungen. Er verbraucht pro Jahr 20.000 kWh Strom und hat
zusätzlich zur Gasheizung ein modulierendes Klein-BHKW im Heizungskeller eingebaut, das in diesem
Gebäude auf eine Laufzeit von 7.500 Vollbenutzungs-Stunden kommt. Es erzeugt 22.500 kWh Strom und
120.000 kWh Wärme. Der Besitzer verkauft die Wärme aus dem BHKW für 4,5 Ct/kWh an seine
Mieter. 15.000 kWh des vom BKHW erzeugten Stroms kann er selbst im Haus verbrauchen. Die restlichen 7.500 kWh Strom speist er in das öffentliche Stromnetz ein und bekommt dafür von seinem
Netzbetreiber 3,5 Ct/kWh plus 5,11 Ct/kWh aufgrund des KWK-Gesetzes vergütet. Außerdem erhält er
die Mineralölsteuer in Höhe von 0,55 Ct/kWh zurückerstattet.
Der Hausbesitzer kauft das Erdgas vom Gasversorger für 4,5 Ct/kWh und muss für den Vollwartungsvertrag des Klein-BHKW an die Wartungsfirma 2,5 Ct je elektrische kWh zahlen.
Ein Vergleich der jährlichen Ausgaben einmal mit und einmal ohne BHKW zeigt, dass sich in diesem
Beispiel die Versorgungskosten des Hausbesitzers bei Einsatz eines Klein-BHKW um 299 Euro pro Jahr
verringern.
Variante 1: BHKW und Gaskessel
Variante 2: Gaskessel
BHKW
Gaskessel
Strombezug
Gaskessel
Strombezug
158.000 kWh 62.000 kWh
5.000 kWh 182.000 kWh 20.000 kWh
Ausgaben
Gaskosten (4,5 Ct/kWh)
Stromkosten (17 Ct/kWh)
Wartung
7.088 E
2.790 E
8.190 E
850 E
563 E
Summe
250 E
11.541 E
Zusätzlich bekommt der Hausbesitzer aus dem Stromverkauf jährlich 646 E
vergütet und aus der Mineralölsteuer-Erstattung 961 E. Das Klein-BHKW
erzielt auf diese Weise jährlich einen Überschuss von 1.906 E. Wenn das
BHKW in der Anschaffung 17.000 E gekostet hat, liegt die statische
Amortisationszeit bei 9 Jahren.
Bitte beachten Sie, dass Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen im Rahmen dieser Broschüre nur vereinfacht dargestellt werden können. Bei anderen
BHKW, Gebäuden oder Berechnungsweisen können erhebliche Abweichungen von den obigen Ergebnissen errechnet werden.
Fotonachweis:
Senertec GmbH, Schweinfurt
OTAG Vertriebs GmbH, Olsberg
Giese Energie- und Regeltechnik, Puchheim
3.400 E
250 E
11.840 E
Die Energieagentur NRW
Die Energieagentur NRW wurde
1990 vom Land gegründet. Sie soll
als unabhängige, neutrale und nichtkommerzielle Anlaufstelle Hilfestellung zur rationellen Energieverwendung und zur Nutzung unerschöpflicher Energiequellen geben – erstens
durch Beratung, zweitens durch Angebote zur beruflichen Weiterbildung
und Know-how-Transfer im Rahmen ihres Impuls-Programms sowie drittens
durch ihre Informations- und Öffentlichkeitsarbeit. Die Energieagentur
NRW wird getragen vom Ministerium
für Verkehr, Energie und Landesplanung sowie vom Ministerium für Städtebau und Wohnen, Kultur und Sport
des Landes Nordrhein-Westfalen.
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