Die Windheizung 2.0 – mehr als nur ein laues Lüftchen: Winterstürme heizen hocheffiziente Gebäude

(Presseinformation 9. Mai 2019, Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP)

Die Windenergie stellt mittlerweile in Deutschland den größten Anteil an der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien dar. Vor allem während der winterlichen Starkwindzeiten herrscht im deutschen Stromnetz jedoch häufig ein Überangebot, das dann zu sehr niedrigen bis negativen Preisen an der Strombörse führt. In manchen Regionen müssen Windkraftanlagen zur Sicherung der Netzstabilität in der Leistung reduziert oder zeitweise komplett abgeregelt werden. Daher hat das das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP gemeinsam mit dem Bayerischen Staatsministerium, dem Bayerischen Landesamt für Umwelt und mit Unterstützung weiterer Konsortialpartner die intelligente Nutzung von Überkapazitäten im Stromnetz zur Gebäude­beheizung zum Thema des Forschungsvorhabens »Windheizung 2.0: LZ-Speicher« gemacht. Im Rahmen dieses vom BMWi geförderten und vom Fraunhofer IBP koordinierten Projekts sollen nun tragfähige Konzepte dafür erarbeitet werden.

Gebäude in Deutschland bieten mit ihren großen thermischen Speicher­massen enorme Potentiale für die Wärme­speiche­rung. 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 Gebäu­den und die Verfüg­barkeit von Über­schuss­strom zeitlich sehr eng zusammen. Dadurch können die Wind­heizung 2.0-Gebäude der Zukunft durch die Erzeugung von Wärme aus er­neuer­barem elektri­schen Strom (Kopplung von Strom- und Wärme­sektor, Power-to-Heat) ihren Energie­bedarf umwelt- und system­verträg­lich decken und gleich­zeitig zur erfolg­reichen Umsetzung der Energie­wende beitragen.

Erste Ergebnisse aus Vor­unter­suchun­gen zeigen, dass Wind­heizung 2.0-Gebäude eine Reduktion des nicht-erneuerbaren Primär­energie­bedarfs im Bereich von 55 bis 85 Prozent erreichen können. Die Einsparungen beziehen sich hierbei auf ein Vergleichs­gebäude gemäß EnEV 2014 mit Referenz­techno­logie (Ölbrenn­wert, thermische Solar­anlage, Abluft­anlage) unter Bewertung der Betriebs­phase und Berück­sichti­gung des Mehr­auf­wands an Konstruktion für das Wind­heizung 2.0-Gebäude.

Forschungsansatz und Lösungsvarianten

Die System­dienlich­keit für den Ansatz zur Wind­heizung 2.0 besteht in der größt­mögli­chen Flexi­bilität des Gebäudes und seiner Heiz-/Speicher­systeme bezüglich der Strom­aufn­ahme aus dem öffent­lichen Netz. Damit kann der Strom­bezug grund­sätzlich sowohl markt­orien­tiert, heißt, angepasst an die Ver­fügbar­keit der Erneuer­baren Energien als auch netz­verträg­lich und so passend zu Kapa­zität und Auslastung von Übertra­gungs- und Verteil­netz, erfolgen.

Im Rahmen des Forschungs­vorhabens »Wind­heizung 2.0: LZ-Speicher« werden die Wissen­schaft­ler unterschied­liche Bauformen von Langzeit-Hoch­tempe­ratur-Steinspeichern (HTSS), Wasserspeichern und bauteilintegrierten Langzeitspeichern (BTA) entwickeln, welche eine Nutzung von Windstrom-Über­produk­tionen zur Gebäu­debe­heizung ermög­lichen. Hierzu muss die Speicher­größe dem Heiz­energie­bedarf des hoch­effi­zienten Gebäudes für ein bis zwei Wochen angepasst und entspre­chende Be- und Ent­lade­rege­lungen geschaffen werden. Zur Erar­beitung geeigne­ter Lösungs­strate­gien werden zunächst umfang­reiche Analysen mittels instatio­närer Gebäude­simulation (WUFI® Plus, Software zur Simulation hygro­thermi­scher Bedingun­gen in Bauteilen und des Raum­klimas) an ausgewählten Typ­gebäu­den und Speicher-/Anlagen­kombi­nationen durch­geführt. Anschließend erfolgen Messun­gen an ersten Proto­typen auf dem Frei­land­versuchs­gelände des Fraunhofer IBP in Holz­kirchen, unter anderem in den Zwillings­häusern (zwei absolut baugleiche Einfa­milien­häuser) zur Veri­fi­zierung der jeweili­gen Ansätze. Die zu ent­wickeln­den Lösungs­varianten orientieren sich hierbei an den Kriterien Wirtschaft­lichkeit, Windstrom­deckung, Nutzerkomfort und Umweltwirkungen – betrachtet über den ganzen Lebenszyklus. Zur Unterstützung des späteren Markteintritts des Systems Windheizung 2.0 werden Planungs- und Auslegungshilfen für Fachplaner bereitgestellt.

Insbesondere der fachthemenübergreifende Ansatz und die Beteiligung von Unternehmen aus den jeweils relevanten Branchen war für das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) entscheidend für die Förderzusage des über drei Jahre mit 3,3 Millionen Euro dotierten Forschungsprojektes, das vom Projektträger Jülich betreut wird.

Das Konsortium

Neben Industriepartnern aus den Bereichen der Bauteilaktivierung und Speichertechnologien (CONCRETE Rudolph GmbH, Klimatop GmbH, Rath GmbH, Bundesverband Kalksandsteinindustrie e. V.), der Heiz- und Regelungstechnik (Klöpper-Therm GmbH & Co. KG, tekmar Regelsysteme GmbH) sowie Netzbetreibern bzw. Energieversorgern (TenneT TSO GmbH, LEW Verteilnetz GmbH, Lechwerke AG) wird das Zentrum für Innovative Energiesysteme der Hochschule Düsseldorf (ZIES) das Forschungsprojekt im Bereich Wirtschaftlichkeitsanalysen und Netzsignale unterstützen. Ergänzend wird das Projekt durch den Freistaat Bayern, vertreten hier durch das Bayerische Landesamt für Umwelt (LfU) und das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Landesentwicklung und Energie (StMWi) fachlich und finanziell gefördert.


Mögliche Lösungen zur Umsetzung eines Windheizung 2.0-Gebäudes mit großem Warmwasserspeicher (A), Bauteilaktivierung (B) und zentralem Hochtemperatur-Steinspeicher (C). © Bayerisches Landesamt für Umwelt

Die Aufgaben des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP konzentrieren sich auf Forschung, Entwicklung, Prüfung, Demonstration und Beratung auf den Gebieten der Bauphysik. Dazu zählen z. B. der Schutz gegen Lärm und Schallschutzmaßnahmen in Gebäuden, die Optimierung der Akustik in Räumen, Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz und Optimierung der Lichttechnik, Fragen des Raumklimas, der Hygiene, des Gesundheitsschutzes und der Baustoffemissionen sowie die Aspekte des Wärme-, Feuchte- und Witterungsschutzes, der Bausubstanzerhaltung und der Denkmalpflege. Über eine ganzheitliche Bilanzierung werden Produkte, Prozesse und Dienstleistungen unter ökologischen, sozialen und technischen Gesichtspunkten analysiert, um damit die Nachhaltigkeit, die nachhaltige Optimierung und die Förderung von Innovationsprozessen zu bewerten. Die Forschungsfelder Umwelt, Hygiene und Sensorik sowie Mineralische Werkstoffe und Baustoffrecycling komplettieren das bauphysikalische Leistungsspektrum des Instituts.

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Weitere Ansprechpartner
Herbert Sinnesbichler l Telefon +49 8024 643-241 l herbert.sinnesbichler@ibp.fraunhofer.de | Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Standort Holzkirchen l www.ibp.fraunhofer.de

Innovative Technologie „made in Essen“: tekmar revolutioniert Speicherheizungen

Essener Oberbürgermeister Kufen und Essener Wirtschaftsförderung EWG

Oberbürgermeister Thomas Kufen (Bildmitte) und EWG-Geschäftsführer Andre Boschem (2.v.r.) überzeugten sich vor Ort von der Innovationskraft der tekmar Regelsysteme GmbH. Der geschäftsführende Gesellschafter Dr. Eberhard Fries (1.v.l.), Betriebsleiter Frank Hemmer (2.v.l.) und Vertriebsleiter Thomas Beye (1.v.r.) führten durch die Räumlichkeiten von tekmar in Essen-Kupferdreh. (Bild: EWG)

Das Heizen mit Strom hat wieder Zukunft: Mit der innovativen Technologie der tekmar Regelsysteme GmbH werden elektrische Speicherheizungen deutlich sparsamer und umweltfreundlicher. Am Mittwoch, den 9. Januar 2019, überzeugten sich Oberbürgermeister Thomas Kufen und EWG-Geschäftsführer Andre Boschem persönlich von der Innovationskraft des Essener Unternehmens.

Gemeinsam mit dem Geschäftsführer der EWG – Essener Wirtschaftsförderungsgesellschaft mbH, Andre Boschem, besuchte Oberbürgermeister Thomas Kufen am 9. Januar 2018 das Essener Unternehmen tekmar Regelsysteme GmbH. Der Spezialist für Regeltechnik entwickelte eine Elektronik zur intelligenten Steuerung von Nachtspeicherheizungen.

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Mit dem „Energiemonster“ auf der E-world of Energy

Das Unternehmen tekmar Regelsysteme GmbH aus Kupferdreh zeigt auf der internationalen Energiemesse E-world energy & water in den Essener Messehallen, wie die guten alten Nachtspeicherheizungen eine neue und innovative Rolle bei der Energiewende spielen können.

Inmitten der beeindruckenden Messestände der großen Energiekonzerne schlägt das mittelständische Essener Traditionsunternehmen tekmar mit einer nachträglich zu installierenden Steuerung die Brücke von der alten, energiefressenden Nachtspeichertechnologie in die Zukunft mit regenerativer Energie und flexiblen Ladezeiten in sogenannten „Smart-Grids” – so heißen die intelligenten, mitdenkenden Stromnetze der Zukunft.

E-World: Das Energiemonster von tekmar
Das Essener Unternehmen tekmar präsentiert auf der E-World energy & water eine ungewöhnliche Idee für Nachtspeicherheizungen.
Dr. Eberhard Fries auf der E-World energy & water | tekmar Messestand
Dr. Eberhad Fries, Geschäftsführer der tekmar Regelsysteme GmbH bietet Netzbetreibern und Stromanbietern Know-how für innovative Projekte an.

Mit dem Messeerfolg ist Dr. Eberhard Fries, Geschäftsführer bei tekmar, zufrieden: „Wir sind überzeugt, dass die nahezu ‚unkaputtbaren‘ Nachtspeicherheizungen, die bundesweit in ca. 1,6 Millionen Haushalten im Einsatz sind, gerade vor dem Hintergrund der Energiewende eine interessante Rolle für die Netzstabilität spielen können. Ermöglicht wird das durch unsere neue Steuerungs-Technologie. Auf der E-world konnten wir weitere Energiekonzerne, Stadtwerke und Stromnetzbetreiber für gemeinsame Projektarbeit zu diesem Thema begeistern.”

tekmar auf der E-world energy & water
Gelegenheit zum Austausch: Der tekmar Messestand auf der E-World energy & water bot Gelegenheit über neue Nutzungsmöglichkeiten für das veraltete System der Nachtspeicher nachzudenken.

Auch für den privaten Besitzer einer Nachtspeicherheizung oder den Mieter einer Wohnung mit Speicherheizung bietet die tekmar Steuerung spürbare Vorteile. Dazu erläutert Thomas Beye, Vertriebsleiter bei tekmar: „In Essen und Umgebung haben wir mit E.on, Innogy und dem Netzbetreiber Westnetz erfolgreiche Kooperationen gestartet. Essener Bürger mit Nachtspeicherheizungen können als Ergebnis dieser gemeinsamen Arbeit ihren Energieverbrauch um bis zu 20 % senken und ihre Heizung viel flexibler als früher auf Ihren individuellen Wärmebedarf einstellen.”

Die Steuerung kann für nahezu jede alte Speicherheizung in wenigen Stunden nachgerüstet werden.

Mit Nachtspeicherheizung und PV-Anlage an der Energiewende teilnehmen – geht das überhaupt?

Nachtspeicherheizung und Energiewende passen nicht zusammen. Das ist zumindest häufig die einhellige Meinung, da Nachtspeicherheizungen einen hohen Stromverbrauch haben und in den letzten 40 Jahren kaum Innovation erlebten. Doch mit der Energiewende wird der Bedarf an Speichern immer größer – und viele Speichertechnologien stecken noch in den Kinderschuhen.

Doch die Nachtspeicherheizung realisiert schon seit über 40 Jahren das, wofür Speicher jetzt benötigt werden: Lastverschiebung. Die Speicherheizung wurde entwickelt, um elektrische Energie zu einem Zeitpunkt aufzunehmen, wenn sie im Überschuss vorhanden ist und Wärme abzugeben, wenn sie gebraucht wird. Und das bereits ein halbes Jahrhundert vor der Energiewende.
Die beste Kombination ist die Ladung der Speicherheizung mittels der eigenen PV-Anlage auf dem Dach. Die Wege sind kurz, das Stromnetz wird nicht mit der Einspeisung der Solarenergie belastet und die Speicherheizung wird mit grüner Energie gespeist. Zusätzlich wird die Speicherheizung mit einer innovativen, intelligenten Steuerung von tekmar ausgestattet, die den Heizenergiebedarf reduziert und den Wärmekomfort steigert, da die langen Sperrzeiten der Netzbetreiber überbrückt werden können. Nicht nur können dadurch die Stromkosten für die Speicherheizung deutlich gesenkt werden, auch der Eigenverbrauch der selbsterzeugten Solarenergie steigt. Der Nutzer spart Geld, hat ein gutes Gewissen und gewinnt Komfort. (s. Grafik 1, Grafik 2)




Ein durchschnittlicher vier-Personen-Haushalt kann mit der Kombination einer Speicherheizung und einer PV-Anlage mit 10 kWp über 50% der jährlich erzeugten Energie selbst verbrauchen. Gleichzeitig kann fast ein Viertel des jährlichen Heizbedarfs mit der PV-Energie gedeckt werden, obwohl Solarenergie hauptsächlich im Sommer erzeugt wird und Heizenergie größtenteils im Winter benötigt wird. Damit können bis zu 700 Euro der jährlichen Heizkosten gespart werden. Insgesamt können knapp 300 Euro der Jahresstromkosten gespart werden, da mit Nutzung der PV-Anlage für die Elektrospeicherheizung weniger Solarenergie ins Netz eingespeist wird und somit ein Teil der PV-Einspeisevergütung wegfällt.

Das Problem ist jedoch, dass nicht jeder Speicherheizungs-Besitzer seine (zukünftige) PV-Anlage an die Speicherheizung anbinden kann. Die Elektrospeicherheizung wird traditionell über einen eigenen Stromzähler mit Energie versorgt, da der Nutzer einen günstigeren Heizstromtarif vom Energielieferanten erhält. Um trotz der unterschiedlichen Stromzähler von Haushalt und Heizung den optimalen Energiefluss zu garantieren, wird ein spezielles Messkonzept, das Kaskadenmesskonzept, benötigt. Hierbei werden die Stromzähler von PV-Anlage, Haushalt und Elektrospeicherheizung in Reihe geschaltet. Damit wird garantiert, dass die PV-Anlage vorrangig den Haushalt und zweitrangig die Speicherheizung speist und nur den Überschuss ans Netz abgibt. (s. Grafik 3)



Das Kaskadenmesskonzept wird jedoch nicht von jedem Messstellenbetreiber angeboten. Das Angebot der Netzbetreiber in Deutschland, die in ihrer Aufgabe als grundzuständiger Messstellenbetreiber den Messstellenbetrieb bei 99% der Letztverbraucher in Deutschland durchführen, ist mager: Weniger als ein Viertel (22%) der Haushalte in Deutschland können das Kaskadenmesskonzept bei ihrem lokalen Netzbetreiber wählen und somit die Solarenergie für ihre Elektrospeicherheizung nutzen. (s. Grafik 4)



Doch mit der fortschreitenden Entflechtung des Energiesektors bekommt der Letztverbraucher die Möglichkeit, seinen Messstellenbetreiber unabhängig vom Netzbetreiber zu wählen. Er könnte also einfach zu einem Messstellenbetreiber wechseln, der das gewünschte Kaskadenmesskonzept anbietet. Bisher nimmt jedoch kaum ein Verbraucher diese Möglichkeit wahr, weil sie sich ihrer Möglichkeiten nicht bewusst sind.

Die beschriebenen Ergebnisse wurden im Rahmen der von tekmar unterstützten Masterarbeit „Nutzung von PV-Energie für den Eigenbedarf von unterbrechbaren Verbrauchern im Wohnbereich“ am Institut für Elektrische Energietechnik und Energiesysteme (IEE) der TU Clausthal erarbeitet. Die Masterarbeit wird in Kürze von tekmar in Buchform veröffentlicht.

  • Bitte informieren Sie mich unverbindlich per E-Mail zu Bezugsquelle und Preis zur Publikation „Mit Nachtspeicherheizung und PV-Anlage an der Energiewende teilnehmen?” von Ann-Kathrin Fries, sobald die Publikation erschienen ist.
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Verbraucherbefragung bestätigt Bedarf an intelligenter Steuerung für Nachtspeicher

Bundesweite Verbraucherbefragung bestätigt den Bedarf an intelligenter Steuerung für Nachtspeicherheizungen

Kurz vor Beginn der kalten Jahreszeit und rechtzeitig zum Beginn der Heizperiode stellt das forsa Institut die Ergebnisse einer bundesweiten Verbraucherbefragung aus Juli 2017 zum Thema Stromheizungen vor. Anlass dieser 120seitigen Studie war ein Auftrag der Verbraucherzentrale Rheinland-Pfalz mit der Zielsetzung, das Nutzungsverhalten bei Nachtspeicherheizungen und Direktheizungen besser kennen zu lernen, um die Energieberatung für Mieter und Wohneigentümer mit elektrischer Heizung optimieren zu können.

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„Power-to-heat” für die Energiewende: 1,3 Millionen Nachtspeicherheizungen bieten Lösungen

Ein sogenannter „hidden champion” aus Essen bietet Netzbetreibern, Energieversorgern und Stadtwerken seine Unterstützung bei zwei drängenden Problemen der Energiewende an.

„Netzstabilität und die Schaffung flexibler Absatzwege zum Ausgleich von Lastspitzen sind vor dem Hintergrund schwankender Energieeinspeisungen aus Windkraft- und Solaranlagen heute wichtige Herausforderungen der Branche”, erläutert Eberhard Fries, Geschäftsführer der Essener tekmar Regelsysteme GmbH, sein Angebot.

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Essener Know-how macht´s möglich: Speicherheizungen werden zukunftsfähig

Heizen mit Strom hat wieder Zukunft: Mit innovativer Technologie „made in Essen“ werden elektrische Speicherheizungen deutlich sparsamer und umweltfreundlicher. Foto: EWG

Das 1963 in Essen gegründete Unternehmen tekmar setzt mit seinen innovativen Technologien auf Energieeffizienz. So auch im Bereich der Nachtspeicherheizungen, die dank intelligenter Steuerelektronik deutlich sparsamer und ökologischer werden. Die EWG unterstützte das Unternehmen bei der Beantragung von Fördermitteln und bei der Suche nach Kooperationspartnern.

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oder in www.essen.de…

Das Comeback der Speicherheizung

Dank intelligenter Regeltechnik hat das Heizen mit Strom wieder Zukunft

Die Informationstage der RWE-Tochter innogy vom 20. bis zum 22. März 2017 brachten für viele Immobilienbesitzer große Erleichterung. Mit moderner Technologie werden elektrische Speicherheizungen erheblich effizienter und ökologischer als die meisten wissen. Und: Die technisch leicht realisierbare Nachrüstung mit innovativer Steuerelektronik kostet nur einen Bruchteil von dem, was bei der Installation eines komplett neuen Heizsystems anfallen würde.

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