Regeneratives Energiekonzept

Bis 2050 soll der Gebäudebestand in Deutschland nahezu klimaneutral werden. Dieses Ziel hat sich die Bundesregierung im Rahmen der Energiewende gesetzt. Mit einer Kombination aus Solaranlage, Sole-Wasser-Wärmepumpe und Eisspeicher lassen sich Gebäude ohne fossile Brennstoffe mit Energie versorgen.

Auf dem Weg zu einem CO2-neutralen Gebäudebestand gilt es nicht nur Gebäude energetisch zu sanieren. Es müssen auch neue Wege gefunden werden, Energie umweltfreundlich zu erzeugen, Gebäude zu kühlen, Wärme effektiv zu nutzen und vor allem zu speichern. Gespeicherte Energie muss auch dann zur Verfügung stehen, wenn erneuerbare Energiequellen wie Photovoltaik und Solarthermie im Winter nicht zur Verfügung stehen.

Tatsache ist, dass Gewerbe, Industrie und Dienstleistungsbetriebe einen hohen Energiebedarf haben. Hier wird Energie vor allem für die Wärmeerzeugung, als Prozesswärme oder für die Klimatisierung eingesetzt. Neben den angestammten Formen der Wärme- oder Kälteerzeugung mit Strom, Erdöl oder Gas werden zunehmend Lösungen mit Solarthermie, der Nutzung von Biomasse, Umweltwärme und -kälte, sowie mit Solarstrom versorgten Wärmepumpen, der passiven Kühlung, der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Eisspeicher eingesetzt. Auch Kombinationen verschiedener Systeme kommen zum Einsatz.

Elektrische und thermische Energie vom Dach

Mit einem so genannten „Kraftdach“ lässt sich eine Kombination verschiedener Systeme umsetzen. Das „Kraftdach“ ist eine Photovoltaik-Anlage, die auf dem gesamten Flachdach elektrische und thermische Energie bereitstellt. Die elektrische Energie kann für den Betrieb einer Wärmepumpe genutzt oder in einem Eisspeicher gespeichert werden. Die Wärmepumpe sorgt dafür, dass die im Eisspeicher eingelagerte Energie im Winter in Wärme und im Sommer in Kälte umgewandelt wird.

Je nach Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit entscheidet ein Energiemanagement automatisch, ob geheizt, gekühlt oder gespeichert werden muss. Das System arbeitet ohne konventionelle Klimatisierung und ohne fossile Brennstoffe.

Luftabsorber führen Wärme zum Eisspeicher

Wie das „Kraftdach“-System in der Praxis funktioniert, zeigt das Beispiel einer Bäckereifiliale in Gelsenkirchen. Für das Energiekonzept der Bäckerei wurden drei Komponenten zu einem Heiz- und Kühlsystem zusammengeführt: das „Kraftdach“, eine Sole-Wasser-Wärmepumpe und ein Eisspeicher. Auf dem Flachdach der Bäckereifiliale wurden 92 kristalline PV-Module mit je 290 WP Leistung montiert. Die Module haben eine Ost-West-Orientierung und sind in einer Neigung von 10° in Kombination mit thermischen Luft-Absorbern verlegt. Die Generatorfläche der PV-Anlage beträgt 230 m2 und leistet 33 kWP. Die Luftabsorber nutzen kontinuierlich die Wärme aus der Umgebungsluft und führen sie dem Eisspeicher zu.

Der Eisspeicher besteht im Prinzip aus einer unterirdischen Zisterne. Für die Bäckereifiliale wurde ein 30 m3 Wasser fassender Betonspeicher als Wärmespeicher vier Meter in den Untergrund eingebracht.
Im Inneren der Zisterne befinden sich große Spiralen aus Leitungen, in denen eine frostsichere Flüssigkeit (Sole) zirkuliert. Diese Spiralen teilen sich in einen Entzugswärmetauscher und einen Regenerationswärmetauscher auf. Sind alle Leitungen sowie Ab- und Zuflüsse installiert, wird die Zisterne mit Wasser gefüllt, das anschließend als Energiepuffer dient. Im Winter entzieht die Sole-Wasser-Wärmepumpe dem Speicher die zur Wärmeerzeugung erforderliche Energie. Das Wasser im Speicher gibt seine Wärme dabei an den Entzugswärmetauscher ab, somit sinkt seine Temperatur und es gefriert allmählich. Der Eisspeicher nutzt zudem die sogenannte Kristallisationsenergie, die frei wird, wenn Wasser seinen Aggregatzustand von flüssig nach fest verändert und gefriert. Die Vereisung erfolgt von innen nach außen, damit der Betonspeicher nicht geschädigt wird.

Wärmepumpe mit Solarstrom betreiben

Da der Betonspeicher nicht gedämmt ist, erwärmt sich das umgebende Erdreich. So wird das Auftauen des Eiswassers beschleunigt. Ist das Wasser wieder flüssig, lässt sich der Kreislauf beliebig oft wiederholen. Auch Kühlenergie zum Temperieren des Fußbodens wird dem Eisspeicher entnommen. Mit einer Anlagenleistung von 28,6 kW wird ein Jahreswärmebedarf von etwa 50 000 kWh gedeckt. Der für den Betrieb der Wärmepumpe erforderliche Strom wird über die Photovoltaikanlage des „Kraftdachs“ gedeckt. Bilanziell ergibt sich eine Jahreserzeugung von etwa 22 000 kWh.

Keine Konkurrenz von PV und Luftabsorbern

Herzstück des Systems ist die als „Kraftdach“ bezeichnete Kombination von Photovoltaikanlage und Luftabsorbern. Auf dem Dach wird so Wärme und Strom in einer kombinierten Anlage erzeugt. Es entsteht dabei keine Konkurrenz von Photovoltaik- und Absorberanlage, da die Dachflächen gleichmäßig mit den kombinierten Modulen belegt werden. Die Absorber sind unterhalb der Photovoltaik-Module angeordnet. So kann der Luftkollektor auch nachts ohne unerwünschte Wärmespitzen die Umgebungswärme aufnehmen.

Wärme für Heizung und Warmwasser

Mit dem „Kraftdach“ kann der Eisspeicher nahezu ganzjährig mit Niedertemperaturwärme versorgt werden. Während des Betriebs entzieht der erste Wärmetauscher dem flüssigen Wasser die Energie und leitet sie weiter an die eigentliche Wärmepumpe. Dort findet ein Verdichtungsprozess statt, bei dem ein Kältemittel zunächst verdampft und anschließend komprimiert wird. Die dabei entstehende Wärme lässt sich sowohl für die Heizung als auch zur Warmwasserbereitung nutzen.

Amortisiert nach etwa sieben bis neun Jahren

Ein intelligentes Energiequellenmanagement regelt die Wärme- und Kälteanforderung. So wird je nach Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit automatisch entschieden, ob geheizt, gespeichert oder gekühlt werden muss. Wird beispielsweise keine Solarenergie durch die PV-Anlage geliefert, kann sich die Wärmepumpe aus dem Eisspeicher bedienen. Auch eine ferngesteuerte Regelung ist durch das Energiequellenmanagement möglich. Mit der energieeffizienten Anlage kann der Betreiber der Anlage erwarten, dass sich das Investment durch die niedrigen Betriebskosten in Abhängigkeit vom Wärme- und Kühlbedarf der Bäckereifiliale nach etwa sieben bis neun Jahren amortisieren wird.

Energieversorgung aus regenerativen Quellen

Die Anlage mit all ihren Komponenten wurde von der Kraftwerk Solutions GmbH, die zur Wierig-Gruppe gehört, geplant und installiert. Die Unternehmensgruppe bietet von Dacharbeiten über die Montage von PV-Anlagen bis zur Installation von Wärmepumpen und Eisspeichern alle Leistungen aus einer Hand an. Somit bietet sie Lösungen für die energetische Versorgung von Gebäuden mit Wärme, Kälte und Strom aus regenerativen Quellen. Für das Energie-Contracting zeichnet im Fall der Bäckereifiliale in Gelsenkirchen das Unternehmen Innogy SE verantwortlich, das die Anlage in einem langfristigen Vertrag für die Bäckerei Zipper betreibt. Der Unternehmer muss dadurch die Investitionskosten nicht aufbringen und ist nicht von Schwankungen auf dem Energiemarkt betroffen.

Die innovative Konzeption der Filiale der Bäckerei Zipper in Gelsenkirchen wurde jüngst mit dem „Deutschen Solarpreis“ der „Eurosolar e.V. - Europäische Vereinigung für Erneuerbare Energien“ ausgezeichnet.

Autor

Dipl.-Ing. Hanns-Christoph Zebe ist Inhaber des Ingenieurbüros Zebe-PR für Kommunikation im Bauwesen in Kaiserslautern und unterstützt die Kraftwerk Solutions GmbH bei der Pressearbeit.