Projekt Windheizung 2.0

Forschungsvorhaben »Windheizung 2.0: LZ-Speicher«

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

Bauherrschaft

Fraunhofer IBP

Fertigstellung

2026

Heizwärmebedarf

36,8 / 51,7 kWh/m²a

Architektur

Fraunhofer IBP

Fachplanung

Fraunhofer IBP

Fraunhofer IBP

Bauteilaktivierung

Heizung

Netzflexibilität

Beschreibung der Gebäudetechnik

Der Ansatz der Windheizung 2.0 nutzt die Masse ohnehin vorhandener massiver Decken oder Wände. Diese werden durch in der Bauphase eingelegte Rohre oder im Sanierungsfall nachträglich angeklebte wasserdurchströmte Wärmeleitbleche thermisch aktiviert. Ein zentraler, leistungsfähiger Durchlauferhitzer erlaubt es die Bauteile, bei der Verfügbarkeit von Windstrom, innerhalb weniger Stunden auf über 35°C zu erwärmen. Zur Reduzierung der passiven Wärmeabgabe werden zusätzlich zur Trittschalldämmung die Bauteile unterseitig dünn gedämmt. Direkt nach der Speicherbeladung sind die verbleibenden passiven Wärmeverluste der Bauteile ausreichend, um die Komfort-Temperaturen im Gebäude aufrecht zu erhalten. Wenn der BTA-Speicher nach einer Weile weiter ausgekühlt ist, muss aktiv Wärme aus der BTA in den Raum entladen werden. Hierzu wird die BTA mit Wasser durchströmt und der warme Rücklauf an ein Flächenheizsystem übergeben.

In einem alternativen Windheizung 2.0-Konzept erfolgt die Speicherung der Wärme statt in den Bauteilen in einem zentralen, mineralischem HochTemperatur-SteinSpeicher (HTSS). Zur Speicherung der Wärme kann dieser HTSS auf ein Temperaturniveau von knapp unter 1000 °C erhitzt werden. Die Raumwärme wird mittels eines Luft-/Luft-Wärmetauschers in Verbindung mit einer mechanischen Wohnraumlüftung dem Gebäude zugeführt.

Aktuelles und Ausblick

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

Projekt

Im Rahmen des Forschungsvorhabens »Windheizung 2.0: LZ-Speicher« wurden unterschiedliche Bauformen von Langzeit-Speichern (Hochtemperatur-Steinspeicher (HTSS) und raumseitig überdämmte BTA-Speicher) für das Konzept Windheizung 2.0 entwickelt und am Feldtest erprobt. Parallel wurde für die Windheizung 2.0-Speicher ein prädiktives Regelungssystem erarbeitet und in den Versuchen erprobt. Außerdem wurde ein Auslegungsverfahren für Windheizung 2.0-Gebäude entwickelt und dieses in ein entsprechendes Auslegungstool integriert. Die im Rahmen dieses Vorhabens entwickelte prädiktive Regelung lernt auf Basis von Temperatur- und Verbrauchswerten selbstständig die Charakteristik des Gebäudes und nutzt eine Wettervorhersage, um den Wärmebedarf des Windheizung 2.0-Gebäudes für die kommenden 7,5 Tage vorherzusagen (maximaler Wetterprognosezeitraum). Die Beladung des Speichers wird so von der Regelung automatisch an diese Bedarfsprognose angepasst. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Speicher immer nur so weit beladen werden, wie zur Deckung des Wärmebedarfs in der folgenden Woche nötig ist. Die drei neuen Speichertypen (der BTA-Speicher für den Sanierungsfall, der BTA-Speicher für den Neubau und der HTSS) wurden konzipiert, ausgelegt und in realen Gebäuden auf dem Freiland-Versuchsgelände des Fraunhofer IBP installiert. Basierend auf den verfügbaren Profilen potentieller Ladezeiten mit Überschussstrom- (Windstrom-) Verfügbarkeit konnten an den bestehenden Versuchsgebäuden Überschussstromdeckungen von 77 Prozent bis über 90 Prozent nachgewiesen werden.

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

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden sinnvolle Kriterien für den mehrkriteriellen Betrieb der Technologie Windheizung 2.0 gemeinsam mit den beteiligten Netzbetreibern identifiziert.

Das BMWK-geförderte Projekt zur Demonstration des Windheizung 2.0-Konzepts an vier bewohnten Gebäuden endet am 30.04.2026.

(Textquelle: Cosima Wörle, Herbert Sinnesbichler, IBP und Martina Reinwald, LfU Bayern)