Projektvorhaben

Ziel

Innerhalb des Verbundvorhabens soll im Sinne eines Leuchtturmvorhabens ein Einfamilienhaus entwickelt, baulich errichtet und vermessen werden, welches seinen Bedarf an Strom, Heizwärme und zur Brauchwassererwärmung zu jedem Zeitpunkt des Jahres selbstständig aus lokal genutzten Erneuerbaren Energien decken kann. Ausgangspunkt ist ein kommerziell erhältliches System zur elektrischen Selbstversorgung von Eigenheimen, welches einen geschlossenen Wasserstoffkreislauf, bestehend aus Brennstoffzelle, Elektrolyseur und Wasserstoffspeicher, beinhaltet. Zudem soll modellbasiert eine Quantifizierung und Optimierung des Potenzials eines solchen Hauses zur Bereitstellung von Netzdienstleistungen für das Verteilnetz erfolgen. Hierfür werden auch neue Regelungsansätze wie die modellprädiktive Regelung untersucht. Schließlich soll mithilfe der Methode der Lebenszyklusanalyse ebenso eine Einordnung zum CO₂-Fußabdruck des Gebäudes erfolgen.

Projektplan

Innerhalb der ersten Projektphase werden mehrere Komponentenvariationen zur Ausweitung der Selbstversorgung auf den thermischen Bereich simulativ untersucht. In der zweiten Projektphase wird das vielversprechendste Versorgungskonzept real umgesetzt und vermessen. Weiterhin steht die integrierte Regelung der gesamten Versorgungsstruktur mithilfe verschiedener Regelungsstrategien unter Einbeziehung von Netzsignalen im Entwicklungsfokus.

Motivation

Als der derzeitige aktuelle Stand der Technik im Bereich der Energieeffizienten Wohngebäude kann das Effizienzhaus Plus (auch Plusenergiehaus genannt) gelten.^[1] Dieses Gebäude speist in der Jahresbilanz mehr elektrische Energie aus Erneuerbaren Energien (meist Photovoltaik) in das Netz ein, als es zur Eigenversorgung des Strom- und Wärmebedarfs benötigt. Plusenergiehäuser haben damit die Eigenschaft im Sommer ein Überangebot, im Winter hingegen eine starke Nachfrage nach Strom zu generieren. Die generelle Herausforderung im Umgang mit Erneuerbaren Energien, die Anpassung von Erzeugung und Nachfrage auch im saisonalen Zusammenhang, wird somit aber nicht gelöst, sondern lediglich an das Stromnetz ausgelagert bzw. teilweise sogar verschärft.

So wird der Solarstrom in Deutschland überwiegend dezentral, in die Verteilnetzebene, eingespeist. Bei einer örtlich hohen PV-Anlagendichte, oder hohen installierten Leistungen einzelner Anlagen wie beim Effizienzhaus Plus, kann dies dazu führen, dass die Stromeinspeisung den Strombedarf im Netzabschnitt übersteigt. In diesem Fall müssen Maßnahmen zur Stabilisierung des Verteilnetzes ergriffen werden. So werden Transformatoren eingesetzt, um Überschussstrom in das Mittelspannungsnetz zu übertragen. Gelingt dies aufgrund der Leistungsgrenze des Transformators nicht mehr, ist es dem Verteilnetzbetreiber ebenso erlaubt die Nennleistung einzelner PV-Anlagen abzuregeln.
Somit wird deutlich, dass gerade im Zusammenhang mit einem steigenden Anteil Erneuerbarer Energien im Stromnetz neben dem reinen Stromverbrauch oder bilanziellem Überschuss, vor allem das zeitliche Bezugsprofil – auch von Wohngebäuden – immer wichtiger wird.^[2] Das Stromnetz gewinnt durch die starre Erzeuger-/Verbraucherstruktur von Plusenergiehäusern (auch mit Batteriespeichern) nicht an Flexibilität.^[3]

Im Projekt soll deshalb eine möglichst netzdienliche Weiterentwicklung von Plusenergiegebäuden realisiert und untersucht werden. Diese sollen in der Lage sein ihren thermischen wie elektrischen Energiebedarf nicht nur in der Jahresbilanz, sondern saisonal ausgeglichen aus lokal generierten Erneuerbaren Energien zu decken und dabei dem Stromnetz kontinuierlich Flexibilitäten zur Verfügung zu stellen.

Ein typisches Einfamilienhaus im Sinne eines reinen „Consumers“, also ohne lokaler genutzte Erneuerbarer Energien allerdings nach EnEV-Standard generiert eine Belastung von etwa 38 kg CO₂-Äquivalenten pro Quadratmeter und Jahr^[1] (vgl. Abbildung 1). Ein Plusenergiehaus hingegen ist als „Prosumer“ in der Lage bilanziell übers Jahr mehr erneuerbare elektrische Energie bereit zu stellen, als es selbst benötigt. Man könnte davon ausgehen, dass somit auch die CO₂-Bilanz negativ ist.
Allerdings speisen Plusenergiehäuser meist ungeregelt Strom ins Netz zu Zeiten, an denen bereits ein Überschuss an erneuerbarem Strom herrscht und ggf. sogar Netzengpässe oder negative Preise am Strommarkt entstehen. Die zusätzliche CO₂-Vermeidung durch die Einspeisung ist demzufolge sehr gering. Herrscht jedoch ein Unterangebot Erneuerbarer Energie im Stromnetz, wie dies etwa während einer winterlichen Dunkelflaute der Fall ist, herrscht üblicherweise auch bei Plusenergiehäusern ein signifikanter Strombedarf und das zu einer Zeit, in der der Netzstrom vergleichsweise CO₂-intensiv ist.
Ziel von ist es dieses Phänomen zu lösen und rund ums Jahr eine Vollversorgung mit lokalen Erneuerbaren Energien zu ermöglichen und keine ungeregelten Überschüsse ins Stromnetz zu „entsorgen“. Dazu werden solare Überschüsse im Sommer per Elektrolyse in hauseigenen saisonalen Wasserstoffspeicher eingelagert. Im Winter kann das Haus dann mittels einer Brennstoffzelle aus diesem Speicher mit Strom und Wärme versorgt werden.

Daraus ergeben sich zwei wesentliche Vorteile: zum einen eine vollständige Entlastung des Stromnetzes in Bezug auf die unflexible Stromeinspeisung und -nachfrage, zum anderen ein Flexibilisierungspotenzial für das Stromnetz mithilfe der vorhandenen System- und Speichertechnik. Dadurch kann das Gebäude zu einem flexibel agierenden Teil des Stromnetzes werden, quasi ein sozial agierendes Kraftwerk der Zukunft. Dieses Flexibilisierungspotenzial wird innerhalb des Projektes demonstriert, modellbasiert optimiert und quantifiziert.

Vorgehen und Innovationen

Im Folgenden werden ausgehend von dem sich in der Entwicklung und Erprobung befindlichen Heimenergieversorgungsystem picea der Firma HPS Home Power Solutions, die notwendigen Innovationen und Entwicklungsziele umrissen, welche innerhalb des Projekts erarbeitet werden sollen. Diese Ziele betreffen die Heimenergieversorgungslösung selbst, aber ebenso die Gebäudehülle sowie ein intelligentes Energiemanagement, welches notwendig ist, um das Flexibilitätspotenzial netzseitig auch erschließbar zu machen.

1.1 Das Wasserstoffsystem

Die HPS Home Power Solutions GmbH (HPS) aus Berlin – Adlershof entwickelt Heimenergieversorgungslösungen für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Ziel ist es eine vollständige Versorgung mit elektrischer Energie aus lokal generierter Photovoltaik nicht nur in den Sommermonaten, sondern rund um das Jahr zu ermöglichen. Dazu wird eine Photovoltaikanlage durch einen Batteriespeicher gestützt, um so das Energieangebot an die Haushaltsnachfrage innerhalb eines Tages bzw. weniger Tage anzupassen. Darüber hinaus ist ein saisonaler Energieausgleich vor allem zwischen Winter und Sommer notwendig. Hierzu ist ein Speichervolumen je nach Haushaltsnachfrage von 700 bis 1500 kWh vorzuhalten. Dieser saisonale Speicher wird über einen geschlossenen Wasserstoffpfad realisiert. Das heißt konkret, dass in den Sommermonaten solarer Überschussstrom genutzt wird, um mit einem Alkali-Membran-Elektrolyseur Wasserstoff zu generieren und zu speichern. Die dabei anfallende Wärme aufgrund von Wandlungsverlusten in der Elektrolyse wird zur Brauchwarmwassererwärmung genutzt. In den Wintermonaten, wenn der durchschnittliche tägliche Solarertrag unterhalb der elektrischen Haushaltsnachfrage liegt, wird der Wasserstoff über eine Brennstoffzelle wieder in elektrische und auch thermische Energie gewandelt und dem Haus zur Verfügung gestellt (vgl. Abbildung 2).

Dieses System vereint Power-to-Gas mit Kraft-Wärme-Kopplung auf Haushaltsebene. Dadurch ist es möglich ca. 90% der lokal generierten Photovoltaikenergie elektrisch bzw. thermisch innerhalb des Haushalts lokal zu nutzen. Die aktuell in picea vorhandenen Komponenten und damit bereitgestellten Dienstleistungen sind in Abbildung 2 innerhalb des grauen Bereichs zusammengefasst.
Während auf elektrischer Seite eine winterliche Versorgung durch Brennstoffzelle und Photovoltaik bereits gelingt, herrscht bzgl. Raumwärme in Einfamilienhäusern nach dem Energieeffizienzstandard KfW-40 derzeit noch eine Unterversorgung. Im Falle der Raumwärmebereitstellung mittels einer Wärmepumpe führt dies bei der relativ geringen Wärmekapazität moderner Einfamilienhäuser unweigerlich zu einer starken Belastung des Stromnetzes in den Wintermonaten. In Abbildung 3 ist der Raumwärmebeitrag, den picea typischerweise über das Jahr im Stande ist zu leisten, in rot wiedergegeben. Darüber hinaus stellt Abbildung 3 diesem Wärmeangebot (rot) eine charakteristische Nachfrage eines Einfamilienhauses (blau) mit 145 m² Nutzwohnfläche nach KfW-40-Standard am Standort Berlin gegenüber. Während picea in diesem Beispiel eine über das Jahr nutzbare Raumwärme 2120 kWh bereitstellt, bleibt ein Defizit von 4006 kWh, das zur Deckung des Gesamtwärmebedarfs von 6126 kWh notwendig wäre und derzeit über eine separate Heizungseinrichtung bereitgestellt werden müsste.

1.2 Entwicklungsziele und Innovationen

In sollen nun im Wesentlichen die beiden folgenden Ziele verfolgt und erreicht werden:

1. Deckung der des Strom-, Brauchwarmwasser- und Raumwärmebedarfs eines Einfamilienhauses komplett aus der hauseigenen Photovoltaikanlage (vgl. Abbildung 2 gestrichelter Bereich) unter Nutzung von kostengünstigen, massenproduzierbaren Komponenten (kein Sonderanlagenbau) und ohne die Notwendigkeit Passivhausstandard erreichen zu müssen.
2. Modellbasierte Optimierung und Quantifizierung des Potenzials eines solchen Hausenergiesystems zur Bereitstellung von Flexibilität an das übergeordnete elektrische Versorgungssystem im Hinblick auf die Unterstützung der Systemintegration Erneuerbarer Energien mit fluktuierender Leistungsabgabe wie Windkraft und Photovoltaik.

Die oben beschriebenen Ziele sollen ohne spürbare Minderung bzgl. Wohnkomfort und Behaglichkeit erreicht werden. Dazu ist es zum einen notwendig, die Haussystemtechnik über den heute innerhalb von picea verfügbaren Standard verfahrenstechnisch weiterzuentwickeln und mit Wärmepumpen und/oder elektrischen Flächenheizungen sowie innovativen Luftverteilsystemen zu erweitern. Zum anderen ist eine möglichst kosteneffiziente Weiterentwicklung des Gebäudekonzepts über den derzeit verfügbaren KfW-40-Standard hinaus notwendig. Letztlich müssen Brennstoffzelle, Wärmequelle und Speicher auch betrieblich optimal aufeinander abgestimmt sein. Diese drei Forschungs- und Entwicklungsherausforderungen sollen im nun Folgenden näher beschrieben werden.

1.2.1 Systemtechnik

Das Ziel der Systemtechnikentwicklung ist es, die technischen Randbedingungen zu schaffen, um eine erweiterte Speicherung von Energie für den Raumwärme- und Brauchwarmwasserbedarf zu ermöglichen. Hierfür muss durch detaillierte Analysen herausgefunden werden, welche Speicherkapazität für die jeweilige Wärmenachfrage notwendig ist und wie hoch die zusätzliche Nachfrage an elektrischer Energie für das jeweilige Heizsystem ist.
Um diese Fragestellung zu beantworten wird ein detailliertes thermisches Hausmodell erstellt, mit dessen Hilfe verschiedene strombasierte Heizsysteme in das Systemtechnikmodell von HPS integriert werden und anhand von Jahressimulationen verglichen werdden.
Für einige der zu untersuchenden Systemkonfigurationen wird ein noch in Größe und Funktionsumfang zu definierender (Trink)-Warmwasserspeicher notwendig sein, um ein ausreichend großes Verschiebepotenzial für die Wärmeversorgung zu erhalten. Ein wesentlicher Aspekt des Speichers wird der Vergleich der unterschiedlichen Möglichkeiten der Raumwärmeeinbringung in das Gebäude sein. Hier steht v.a. die direkt luftgeführte Wärmeeinbringung einer indirekten Einbringung über einen Wasserpufferspeicher als Zwischenschritt gegenüber.

1.2.2 Gebäudehülle und Behaglichkeit

Als Ziel in Bezug auf den thermischen Energiebedarf des netzdienlichen Hauses gilt es herauszustellen, inwieweit eine bessere Außendämmung als die des kfW 40 Standards erforderlich ist, damit der Heizwärmebedarf allein durch lokale erneuerbare Energien bei gleichzeitig möglichst hohem Flexibilitätspotenzial gedeckt werden kann. Diese Zielsetzung mag zunächst trivial erscheinen, doch beinhaltet sie bei genauerer Betrachtung eine hochgradig integrierte Problemstellung mit Einflussfaktoren aus den Bereichen der Ausrichtung und Gestaltung der Gebäudehülle, der Umgebung sowie des Nutzerverhaltens. Während viele dieser Einflussfaktoren in konventionellen Wärmeversorgungskonzepten von untergeordneter Bedeutung sind, steigt ihr Anteil und damit ihr Einfluss in Niedrigenergiekonzepten auf entscheidende Größe an, sodass eine Berücksichtigung obligatorisch für eine erfolgreiche Gestaltung des Heizenergie- und Hauskonzepts wird.
Bei der Berechnung rückt zunächst die Gebäudehülle in den Betrachtungsfokus. Es gilt einen Kompromiss zu finden, der dem heutigen architektonischen Anspruch gerecht wird und dabei gleichzeitig den technisch notwendigen Kriterien Rechnung trägt.
Hierbei ist auf ein geringes Verhältnis von Oberflächen zu Volumen des Hauses zu achten, um wärmeübertragende Flächen bei konstanter Grundfläche zu minimieren. Vermeidung von Vorbauten wie Erkern, herausragende Balkone und Loggias helfen ebenso den Wärmetransport an die Umgebung durch die Gestaltung der Gebäudehülle zu reduzieren.
Ein Spannungsfeld ergibt sich in Bezug auf die heutzutage bevorzugten großzügigen Glasflächen von Wohnhäusern. Diese ermöglichen aus energetischer Sicht hohe solare Gewinne im Winter, welche die notwendige Heizleistung reduzieren. Im Sommer hingegen ergibt sich die Gefahr einer Überhitzung des Gebäudes, welcher durch geeignete Maßnahmen entgegnet werden sollte.
Hierbei sind als Freiheitsgrade verschiedene Verschattungskonzepte sowie die Ausrichtung des Gebäudes zu nennen. Ausrichtung und Lage des Gebäudes sind wiederum nicht immer frei wählbar. So sollen innerhalb des Projekts Designrichtlinien erarbeitet werden, die es innerhalb gewisser Grenzen erlauben den grundlegenden Hausentwurf in nahezu beliebiger Ausrichtung und Lage zu replizieren, ohne dabei auf aufwändige, zeitlich und räumlich hochaufgelöste Simulation angewiesen zu sein.
Bei den Verschattungskonzepten sind passive oder aktive Verschattung sowie Konzepte mithilfe von Bepflanzung denkbar, welche im Sommer ausreichend Schatten spenden, während sie die Nutzung der solaren Gewinne im Winter nicht behindern. Aktive Verschattung verlangt zudem nach einer intelligenten Integration in die Gebäudeautomation inklusive einer Anbindung an das Energiemanagement von picea.
Neben den Einflussfaktoren der Gebäudehülle stellen auch die individuellen Bedürfnisse und Verhalten der HausbewohnerInnen einen immer wichtigeren und damit zu berücksichtigenden Faktor dar.
Das detaillierte Hausmodell soll eine raumgenaue Auflösung der Behaglichkeitsparameter der Luft- und Strahlungstemperatur sowie der relativen Luftfeuchte enthalten. Die Berücksichtigung der relativen Luftfeuchte wird insbesondere für das System der Luftheizung rele-vant, da diese Systeme ohne zusätzliche Maßnahmen oftmals nur niedrigere relative Luftfeuchten erreichen. Da jedoch bei der Rückverstromung des Wasserstoffs in der Heizperiode Wasser anfällt, soll untersucht werden, inwieweit dieses für eine Befeuchtung der Zuluft genutzt werden kann.

1.2.3 Energiemanagement und Netzdienlichkeit

Das Energiemanagement des beschriebenen Ausgangssystems des Heimenergieversorgungssystems von HPS regelt den Stromfluss der einzigen Energiequelle Photovoltaik zu den Energieverbrauchern, Energiewandlern und -speichern. Der Fokus hierbei liegt auf einer zu-verlässigen Deckung der Stromnachfrage. Ebenso orientiert sich die Rückverstromung des Wasserstoffs z.B. ausschließlich am Strombedarf.
Das zukünftige Energiemanagement wird die Wärmenachfrage jedoch mit derselben Priorität behandeln müssen, wie die Stromnachfrage. Dieser Umstand wird die heuristischen Entscheidungsstrukturen um ein Vielfaches verkomplizieren, da zusätzliche komponenten- und zeitabhängige Restriktionen berücksichtigt werden müssen.
Es wird nicht genügen, den Betrieb der Anlage nur basierend auf aktuellen Speicherfüllständen und bekannten Umwandlungswirkungsgraden zu decken. Da nach wie vor die Photovoltaik als einzig maßgebliche Energiequelle zum Einsatz kommt, wird eine intelligente, auf prädiktiven Daten basierende Regelung benötigt, welche Prognosen für Wetterdaten (Außentemperatur und zu erwartende Globalstrahlung) in die Regelungsentscheidungen zur Deckung der Endenergiearten miteinfließen lässt und dabei in der Lage ist auch auf Flexibilitätsbedürfnisse seitens des Stromnetzes einzugehen.

Der Einfluss weiterer relevanter Parameter, wie der erwarteten Energienachfrage, Flexibilitätsbedürfnisse seitens des Stromnetzes und Speichermindestfüllstände, muss dann zusätzlich in die Entscheidungsfindung für die gesamtsystemisch optimale Wärmebereitstellung mit einbezogen werden.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt in der Herausstellung und Quantifizierung des systemseitig vorhandenen Flexibilisierungspotenzials, welches unter Berücksichtigung der genannten Komponenten- und Systemrestriktionen für einen netzdienlichen Betrieb nutzbar gemacht werden kann. Da sowohl Komponenten zur steuerbaren elektrischen Energieerzeugung, -abnahme und Speicherung zur Verfügung stehen, wäre ein solches Gebäude für einen netzdienlichen Betrieb prädestiniert. Zudem ist der Strompreis bei der Einsatzplanung für einen flexiblen, dem übergeordneten Energiesystem dienlichen Betrieb eine wichtige Eingangsgröße. Durch ihn wird eine monetäre Bewertung der Flexibilitätsoptionen möglich. Des Weiteren können Prognosen zum Strompreisverlauf in die modellprädiktive Regelung einfließen, um z.B. Leistungsreserven für Zeiten besonders hoher oder niedriger Strompreise bereit zu halten.
Um auch Aussagen zum flexiblen, netzdienlichen Betrieb in zukünftigen Energiesystemszenarien treffen zu können, sind entsprechende Strompreisverläufe dieser Zukunftsszenarien notwendig. Hierfür können die Ergebnisse von Fundamentalmodellen genutzt werden, die sich anhand eines physikalisch modellierten Kraftwerkparks und einer angenommenen Stromnachfrage entsprechende Strompreiskurven für Zukunftsszenarien des Kraftwerkparks berechnen.
Im Anschluss an die rein modellbasierten Untersuchungen zum Flexibilisierungspotenzial des Hauses sollen Wege aufgezeigt werden, wie die Erkenntnisse in die praktische Umsetzung gelangen können.
Als letzter Baustein für eine umfassende Analyse des Energiesystems eines netzdienlichen Solarhauses soll zudem eine CO₂-Bilanz des Hauses im Sinne einer Lebenszyklusanalyse erfolgen. Der Fokus soll dabei auf der eingebrachten Systemtechnik liegen, um einen Ver-gleich mit alternativen Hausenergieversorgungskonzepten herauszuarbeiten.

Quellen:
[1] Bundesministerium für Umwelt Naturschutz Bau und Reaktorsicherheit, „Wege zum Effizienzhaus Plus – Grundlagen und Beispiele für energieerzeugende Gebäude“, 2016 [Online]. Verfügbar unter: https://www.bmub.bund.de/fileadmin/Daten_BMU/Pools/Broschueren/effizienzhaus_plus_broschuere_bf.pdf
[2] K. Klein, D. Kalz, und S. Herkel, „Analyse und Vergleich netzbasierter Referenzgrößen und Definition einer Bewertungskennzahl“, Bauphysik, Bd. 36, Nr. 2, S. 49–58, 2014.
[3] T. Langhausen und M. Sinß, „Endbericht des Modellvorhabens Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität – Nutzung des Stromspeichersystems zur Stabilisierung des Stromnetzes Energiewirtschaftlichen Optimierung des Betriebes von Plusenergiehäusern durch Vernetzung zu einem virtuellen Kraf“, Bingen, 2012 [Online]. Verfügbar unter: https://www.forschungsinitiative.de/fileadmin/user_upload/Forschung/Effizienzhaus_Plus/Forschung/Begleitforschung_EPmE/08_Endbericht_TSB_EnergiiehausPlus_20140130.pdf