Uhr Matthias Seelmann-Eggebert CO 2 Abgabe ev, Freiburg

Erneuerbare Energien – mit Solarstrom heizen

Verbrennen war gestern, Heizen auch ohne Flamme

1.6.2021 18 Uhr

Matthias Seelmann-Eggebert

CO

Abgabe eV, Freiburg

Wir sind eine Gruppe von über 1000 Unternehmen, Verbände, Kommunen und Einzelpersonen, die für eine  wirksame Lenkungsabgabe auf Treibhausgase (CO₂u.a.) eintreten, um die zahlreichen Umlagen und Steuern auf  Energie in Deutschland am Klimaschutz neu auszurichten. Dazu setzen wir uns für eine verursachergerechte,  sozialverträgliche und technologieoffene Umsetzung ein, die Bürokratie abbaut sowie Planungssicherheit und  Innovationen fördert.

CO ₂ Abgabe e.V. 

Wer wir sind, was uns antreibt und was wir tun...

www.co2abgabe.de

#wählbar2021 ist ein Angebot für alle, mit dem wir ab Juni die Haltung der Bundestagskandidat*innen für die Bundestagswahl im September zu konkreten Vorschlägen für Gesetzesinitiativen für den

Klimaschutz abfragen wollen.

Es ist damit auch ein Angebot für Wähler*innen, Unterstützer-*innen aber auch Organisationen und Multiplikatoren die eigenen politischen

Überzeugungen mit denen der Kandidat*innen abzugleichen.

#WÄHLBAR 2021

Machen Sie mit uns die Bundestagswahl zur Klimawahl!

Bundestagswahl zur Klimawahl

Übersicht

• Herausforderungen der Energiewende

– die Rolle von Wärmepumpen bei der Wärmewende

• Wärmepumpen

– Theorie und Praxis

• Wärmepumpen im Bestand

– Gebäude- und Heiztechnik

• Heizsysteme mit Saisonalen Speichern

– Elektrolyse von Wasserstoff und die Rolle von Wirkungsgraden

• Photovoltaik

– Parameter für saisonale und jährliche Erträge

– bilanzielle und saisonale Klimaneutralität

Herausforderungen der Energiewende

die Rolle von Wärmepumpen bei der

Wärmewende

Energiebedarf Deutschland 2017

Wärme

Strom Treibstoff

Primärenergieverbrauch 13594 PJ (3776 Mrd kWh) Endenergieverbrauch 9329 PJ (2591 Mrd kWh)

Wärme

50% Strom

21%

Treibstoff 29%

Pro Kopf

pro Tag 129 kWh (13 l Öl!) 31 kg CO2 pro Jahr 47 MWh (4745 l Öl) 11 t CO2

Quelle Umweltbundesamt Endenergie

Primärenergie

80 Mio Einwohner

CO2 Emission 900 Mio t

Gemeinde Au CO ₂ Emissionen 2013

6740 Tonnen CO

2018

28% Stromerzeugung

46 % Wärmeerzeugung

26% Strom

Brennstoffe Kraftstoffe

• Transformation des Wirtschaftssystems: 100% CO

frei

• Nur Strom ist effizient CO

frei zu erzeugen

– Ausweitung Stromsektor auf Wärme und Verkehr

• Energiewirtschaft = Stromwirtschaft

– thermische Energieprozesse vermeiden

• Einsparungen Primärenergie ohne Einbuße Nutzenergie:

– Stromerzeugung :

1/3 – Elektromobilität:

1/3 – Wärmepumpen :

1/3 (?)

Energiewende

Energiebedarf bei CO2 Neutralität

Strom 45 % Wärme

35 %

Treibstoff

20% Deutschland 2017 Endenergieverbrauch Strom 500 TWh

(Wikipedia 600 TWh)

Energiebedarf pro Kopf und Tag

2050: 38 kWh oder 4 l eq. Öl ( 0 t CO2) 2017: 129 kWh oder 13 l eq. Öl (11 t CO2) Deutschland 2050 ??

Endenergiebedarf Strom wie 2017 gesamt = Strombedarf 2017 x 2,22 Strombedarf 2050 1111 TWh (= Primärenergiebedarf?)

Primärenergiebedarf 2017 3776 TWh

Wärme

2018: 1331 TWh, 272 Mio t CO2

Ölheizungen:

Einsparpotential

30 Mio t Von den 20,7 Millionen Zentralheizungen verbrennen 13,4 Millionen Gas und 5,5 Millionen Öl

Gebäude: 117 Mio t CO2

EU Verpflichtung :

2030 100 Mio t Einsparung

Wärme Gebäude

Bestand 2018:

18,9 Mio Wohngebäude 115 Mio t/a CO2

Einsparziel 2030:

70 Mio t/a CO2 (39 %)

Quelle BDEW Studie 2019,

Herausforderung Wärmewende

• 19 Mio Wohngebäude

• 16 Mio Ein-/Zweifamilienhäuser

• Emissionen Gebäudesektor 2020: 120 Mio t.CO2 (UBA)

• Nymoen Studie:

Ein klimaneutraler Wärmemarkt ist ohne Wasserstoff und Gasnetz nicht sozialverträglich erreichbar

• Investitionsbedarf 500 Mrd €

• Agora Energiewende: 6 Mio el. WP bis 2030

Begriffsklärung:

klimaneutral = ausgeglichene Treibhausgasbilanz

Zwei Lösungsansätze

• Ansatz 1:

Senkung des Heizenergiebedarfs durch Maximierung von Effizienz (Dämmung)

– Vorteil: Bedarf an Nutzenergie wird minimiert – Nachteil:

technische und denkmalschutzbedingte Dämmrestriktionen beschränken Reduktionsniveau auf ca. 60%

teuer

• Ansatz 2:

Minimierung der Treibhausgasemissionen

Klimaneutralität wird auf Gebäude- oder Quartiersebene möglich.

– Nachteil:

ein höheres Maß an Erneuerbaren Energieen muss für die Wärmeerzeugung bereitgestellt werden.

günstiger

Welche Heizung bei Sanierung?

Wärmepumpe COP=3 bei Betrieb mit Braunkohle/G&D-Kraft

Welche Heizung bei Sanierung?

CO

-Preis macht Wärmepumpen und Fernwärme rentabel

Wärmepumpen

Theorie und Praxis

Wärmepumpen

• Einsparung von Primärenergie durch Nutzung von Umweltenergie

• Wärmequelle erforderlich – „kalte“ Quelle ausreichend:

– Umgebungsluft

– Erdwärme: oberflächennah oder aus Schichten bis 100 m – Grundwasser oder Abwasser

• klimaneutral, wenn Betrieb mit erneuerbaren Strom

Prinzip: Klimaneutrales Heizen mit Wind

Jahresgang von Onshore Windkraft in Deutschland für 2016

ISE:www.energy-charts.de

Funktionsprinzip der Wärmepumpe

• Erhaltung des Energiestroms

• Erhaltung des Entropiestroms

• Leistungszahl

Wärmepumpe

s

s

w

T

T

2 2 1

1s W T s

T + =

2

1 s

s ≈

1 2

2 1

1 2 2

2 2 2

2

T T

T s

T s T

s T W

s T

WP = −

= − η =

Funktionsprinzip Wärmepumpe

Vorlauftemperatur Quellentemperatur Gütegrad

Wärmeenergie= Umweltenergie + elektrische Energie JAZ: Jahresarbeitszahl = Wärmeenergie/el. Energie

3-4 5-6 5-6

CO₂

JAZ:

Abschätzung CO

-Einsparpotential

• Einfamilienhaus:

– Öl-Verbrauch 2000 l p.a. 6,6 t. CO2 p.a.

• Einsparungen durch Heizungssanierung:

– Luft-Wasser Wärmepumpe mit JAZ 3: 4,4 t. CO2 p.a.

– Erdwärmepumpe mit JAZ 5 : 5,3 t. CO2 p.a.

Erdwärmepumpe

Luft-Wasser-Wärmepumpen

Temperaturprofil im Erdreich

10 8 6 4 2 0

Amplitude [°C]

10 8

6 4

2 0

Tiefe [m]

150

100

50

0

Verschiebung [Tagen]

Einstrahlung ca.100 W/m2 ,

Absorbierte Energie ca. 1000 kWh /m2 p.a.

Gespeicherte Wärme: 0,63 kWh/m³K

Verschiebung [Tagen]

Amplitude [°K]

12°C

11 7,4 5,1 3,6 2,5 1,7

180 90

20

15

10

Temperatur [°C] 5

350 300 250 200 150 100 50

0

Tage

0 m 1 m

2 m3 m4 m

5 m 10 m

21.7.

Kaltes Nahwärmenetz

Erdwärme 12°C

10°C

Bundesförderprogramm Nahwärmenetze 40% Förderquote

E-Tank Prinzip

• Idee:

Nutzung des Bereichs unter dem Gebäude als saisonaler Wärmespeicher für WP

• Bauliche Maßnahmen:

– gute Bodendämmung – seitliche Dämmschürze – Wasserleitungen als

Wärmetauscher für WP

• Beladung des Speichers:

– Solarthermie

– kein Überhitzungsproblem

• Vorteil gegen Erd-WP:

– höhere Referenztemperatur

⇒ hohe Leistungszahl

• Speichereffizienz: 50%

• nur für Neubau geeignet

www.etank.de

Sonne Wärme Gebäude

Brennstoff Strom

PV

↑

←

H2

↓

Wärme Gebäude

Brennstoff Strom

Ertüchtigung:

Klimaneutrales Gebäude Bestandsgebäude

Paradigmenwechsel Gebäudetechnik

• Klimaneutralität auf Gebäudeebene möglich

Klimaneutrale Gebäude

• Energie:

– Erzeuger ⇒ Sonne:

• PV, Solarthermie, Umweltwärme

– Verbraucher ⇒ Heizung, Kühlung,Warmwasser,Strom:

• Gastherme, Ölkessel, Holz, Wärmepumpe

• 3 Stufen für Klimaneutralität:

1. Jahresbilanz Endenergie 2. detaillierte saisonale Bilanz 3. räumliche Autarkie

Sonne Wärme

Gebäude

Brennstoff Strom

PV

↑

←

H2

↓

200 kWh 100 kWh 100 kWh 100 kWh 100 kWh 100 kWh 100 kWh 100 kWh 100 kWh

Umweltwärme

600 kWh

Beispiel Sanierung Hochhaus Freiburg Bugginger Str.50 16 Stockwerke

Wohnfläche 7000 m² Geschossfläche 400 m² Wärmebedarf 20 kWh/m² alle Geschosse 320 kWh/m² bilanzielle Klimaneutralität mit 32 kWp PV

(Wärmepumpe mit JAZ=4) Installiert wurden aber nur 24 kWp

Bilanzielle Klimaneutralität für MFH

Wärmepumpen im Bestand

Gebäude- und Heiztechnik

Grundlagen der Heiztechnik

Außenhülle

Gebäude Heizkörper Wärmeerzeuger Außenwelt

)

( _{V R}

HZ

WV T T

c

J = −

) ,

log( V Z R Z

n

HKT T T T T

W

J = − −

)

( _{Z A}

GB T T

U

J = −

T_A U_GB

T_Z W_HK n

T_V

Gebäudekennzahl U_GB Heizkapazität W_HK

Wärmekennzahlen für Gebäude

• Gebäudekennzahl U

in [kW/K]

– entspricht Transmissionswärmetransferkoeffizient H_T

– auch spezifischer Transmissionswärmedurchgangskoeffizient – Summation der Transferkoeffizienten über Gebäudehülle

– sagt etwas über Verbrauch, nicht über die Dämmung

• Jahresverbrauch [kWh]= Gradtagszahl x 24 x U

= G

x U

• Spezifischer Transmissionswärmeverlust H‘

=U

/A

in [kW/m

K]

– bezogen auf Hüllfläche Ao des Gebäudes (mittlerer Durchlasskoeffizient) – sagt etwas über die Qualität der Dämmung

• Energieverbrauchskennwert E

= G

x U

/A

in [kWh/m

]

• Spezifischer Transmissionswärmeverlust nach umbauten Raum

H

=U

/V in [kW/m

K]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Gradtagzahl Dü Frank Be Hannov Ham Leipz Stut Münc Erf Ke Hof

Gradtagzahlen

25

20

15

10

5

0

-5

Mittlere Temperatur [°C]

10 8

6 4

2 0

Monat

T_Karlsruhe T_Frankfurt T_Fritzlar T_Kempten

600

500

400

300

200

100

0

Gradtagszahl [K Tag]

10 8

6 4

2 0

Monat

GTZ_Karlsruhe GTZ_Frankfurt GTZ_Fritzlar GTZ_Kempten

Langjähriges Mittel:

regional 2000-3000

Quelle: IWU

Typisch

265 Heiztage

Bestimmung von Gebäude- kennzahl U_GB: Jahresverbrauch in kWh durch Gradtagzahlx24

Raumtemperatur 20°C

Heizkapazität und Vorlauftemperatur

W_HK/U_GB

Annahme:

Heizexponent=1,3 0.1

2 3 4 5 6

1

2 3 4 5 6

10

Steilheit @ 0°C

0.1 ^{2 3 4 5 6 7 8 9} 1 ^{2 3 4 5}

Heizkapazität/Gebäudeleitwert

80 70 60 50 40 30 20

Vorlauftemperatur@0°C

0.1 2 3 4 5 6 7 8 9 1

2 3 4 5

Steilheit

Vorlauftemperatur

Bestand Fußbodenheizung

Ausregelung Optimum Grenze

Wärmepumpen in Bestandsgebäuden?

Braunkohlestrom mit Leistungszahl=3 entspricht CO₂ Emission von Ölheizung Braunkohlestrom mit LZ=4,3 entspricht Emission von Gasbrennwertheizung

Strom aus G&D Gaskraftwerk mit LZ=1,7 entspricht Emission von Gasbrennwertheizung

8

6

4

2

0

JAZ

2.0 1.5

1.0 0.5

Steilheit

Luft/Wasser Erdwärme

Leistungszahl im Jahresverlauf

bei Heizungsbetrieb mit Steilheit 1 @ 0°C Vorlauftemperatur 46°C @ 0°C

JAZ 4,7

600

500

400

300

200

100

0

Gradtagzahl

12 10

8 6

4 2

Monat

10

8

6

4

2

0

Leistungszahl

Gradtage Leistungszahl

600

500

400

300

200

100

0

Gradtagzahl

12 10

8 6

4 2

Monat

10

8

6

4

2

0

Leistungszahl

Gradtage Leistungszahl

Luft-Wasser Wärmepumpe mit Gütegrad 0,5 Gradtagzahl 3000

bei Heizungsbetrieb mit Steilheit 1,5 @ 0°C Vorlauftemperatur 59°C @ 0°C

JAZ 3,7

Wärmepumpe und PV

• Ausgeglichene energetische Jahresbilanz:

• Strombedarf Wärmepumpe = Ertrag Sonnenstrom

30 30

25 25

20 20

15 15

10 10

5 5

0 0

Strom pro Monat [%]

12 10

8 6

4 2

Monat

Bedarf WP Ausbeute PV

LW-WP Steilheit 1 Süd-Ost Dach 15°

Heizsysteme mit Saisonalen Speichern

Photovoltaik und die

Elektrolyse von Wasserstoff,

die Rolle von Wirkungsgraden

Saisonaler Bedarf

• Klimaneutralität = treibhausgasneutrale Jahresbilanz?

• Heizbedarf und Sonnenertrag gegenläufig

• saisonale Speicher erforderlich (Umwandlungseffizienz?)

– Holz (5%), Wärmespeicher (95%), synthethische Brennstoffe (50%)

30

25

20

15

10

5

0

Temperatur [°C]

12 10

8 6

4 2

Monat

400

300

200

100

0

Sonnenstunden

Temperatur Sonnenstunden Heizbedarf

Freiburg botanischer Garten 2018

Wasserstoff

• Power to Gas (P2G):

Elektrolyseur spaltet Wasser elektrisch in Sauerstoff und Wasserstoff auf

• Wirkungsgrad Erzeugung:

50% Standard, 80% Pilotanlagen

• Freisetzung von Wärme

• Speicherung im Gasnetz

• Rückverstromung in BHKW

• Investitionskosten 2020: 1500 €/kW

– Für 1000 Betriebsstunden p.a.: <30 ct/kWh – mit PV Anlage (500 €/kWp): <40 ct/kWh – EEG-Förderung für Wasserstoff??

PV

Elektrolyse

Wärmepumpe BHKW

Speicher

Wasser- stoff

Strom Wärme

Real ausgeglichene Energiebilanz

Klimaneutrale Quartiere mit P2G

Wasserstoff als saisonaler Speicher

Photovoltaik

Parameter für saisonale und jährliche Erträge

bilanzielle und saisonale Klimaneutralität

PV-GIS

PV Ausrichtung und Monatsausbeute

0-Flachdach

0

1-Optimum Süd (35°)

1

3 2

2-West (35°) 3-Ost (35°)

80% Jul: 133/ Dez: 20 kWh 85% Jul: 144/ Dez: 21 kWh

4

4-Südwand

100% =1182 kWh

Ausrichtung und Tagesausbeute Januar

1

3 2

4 1-Optimum Süd (35°)

2-West (35°) 3-Ost (35°)

4-Südwand

Energiebilanzen mit P2G

Betrachtung pro qm und Jahr Wärmebedarf 100 kWh

PV-Ertrag 200 kWh

200 kWh 100 kWh

100 kWh

200 kWh 100 kWh

Umwandlungsverlust Brennstoff 100 kWh

H₂O

→

bilanzielle „Klimaneutralität“ reale „Klimaneutralität“

e

Analyse der saisonalen Abhängigkeit

600

500

400

300

200

100

0

Gradtagzahl

12 10

8 6

4 2

Monat

10

8

6

4

2

0

Leistungszahl

Gradtage Leistungszahl

30 30

25 25

20 20

15 15

10 10

5 5

0 0

Strom pro Monat [%]

12 10

8 6

4 2

Monat

Bedarf WP Ausbeute PV

Ausbeute und Wärmebedarf bei bilanziellem Ausgleich

saisonale Abhängigkeit

Gradtagszahl und Leistungszahl

Deckungsgrad und Nutzungsgrad

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

Deckungsgrad

0.1 ^{2 3 4 5 6 7 8 9}1 ^{2 3 4 5 6 7 8 9}10

Installierte Nennleistung [kWp]

Wärmebedarf p.a. 10 000 kW h Deckungsgrad

Ausbeuteanteil

Haus wird mit Luft-Wasser WP beheizt (Steilheit=1, Gütegrad 0,5, GTZ 3000) Deckungsgrad=welcher Anteil des Heizbedarfs wird durch PV/WP gedeckt Nutzungsgrad= welcher Anteil der solaren Ausbeute wird zum Heizen genutzt

(ohne P2G!)

Wasserstofferzeugung durch PV

1

2 3 4 5 67

10

2 3 4 5 6 7

100

kWp pro 10000 kWh

0.8 0.7

0.6 0.5

0.4 0.3

0.2 0.1

Wirkungsgrad Elektrolyse

notwendige Nennleistung PV für Hybridheizung:

nur Gasbrenner mit W P Gütegrad 0,5 Direktstromverbrauch

Heizenergie wird über PV bereitgestellt.

Welche Nennleistung muss installiert werden, damit

ausreichend Wasserstoff für Gasbrenner erzeugt werden kann?

Vergleich: Gastherme / Hybridheizung (bestehend aus WP und Gasbrenner)

Optimale Ausnutzung von Brennstoff

• 1 kWh Brennstoff: Ofen mit 100% thermischem Wirkungsgrad?

• Besser: Hebelwirkung von Wärmepumpe einsetzen!

• Optimale Wärmeausbeute für BHKW mit hohem el. Wirkungsgrad!

• Sektorkopplung: Restwärme nutzen

• Symbiose BHKW+WP: Gleichzeitigkeit der Bedarfsanfrage

Wirkungsgrade:

Stromerzeugung η

Wärmepumpe Winter Leistungszahl=3

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

themischer Wirkungsgrad

1.0 0.8

0.6 0.4

0.2 0.0

el. Wirkungsgrad

Wärmepumpe Wärme BHKW Wärme gesamt

BHKW mit synthetischem Brennstoff

8 7 6 5 4 3 2 1 0

kWp pro 10 000 kWh

0.6 0.5

0.4 0.3

0.2 0.1

0.0

elektrischer Wirkungsgrad BHKW

Wärmepumpe Gütegrad

0,5 LWWP 0,4 LWWP 0,5 EWP

Annahme:

Wirkungsgrad P2G 0,5

Welche PV Nennleistung muss installiert werden, um einen Heizbedarf von

10 MWh durch die Kombination von BHKW und Wärmepumpe durch Erzeugung von Wasserstoff abzudecken?

Klimaneutrale Quartiere

• Klimaneutralität auf Gebäudeebene möglich

• Heizenergie einsparen:Niedrigenergiehaus/Passivhaus

• Mischung aus BHKW und Wärmepumpen

• PV-Anlagen produzieren Synthetische Brennstoffe

• Reservoir/Speicher für Umweltwärme

• Holzfeuerungsanlagen (?)

Anforderungen an eine Wärmepumpe

• Leistung sollte Heizbedarf abdecken

• Hoher Gütegrad (hohe Leistungszahl)

• Invertertechnik erlaubt Modulation

• integrierte Funktionsumkehrung: Heizen/Kühlen

• Hybridheizung:

– vorgebbarer Grenzwert für Leistungszahl

– Kaskadierung: Vorlauftemperaturanhebung durch WP – vorgebbare Sperrzeiten für WP

• Software für Kombination mit PV:

– PV/SG-Ready nur rudimentär

– besser analoge Ansteuerung für WP-Leistungsregelung – Solaransteuerung auch bei niedriger Aussentemperatur

Zusammenfassung

• Klimaneutralität: Bilanziell – Saisonal - Autark

• Bestandsgebäude können durch Zubau von PV Klimaneutralität erreichen

• Wärmewende:

Gebäude für Gebäude, Quartier für Quartier

pro 10 000 kWh Jahresverbrauch

Keine starren Vorschriften

(EnEV und KfW 40 Standard), sondern flexibler Rahmen, der den Eigentümern das geeignete Maßnahmenpaket überlässt.

Eigentümer brauchen

Kriterien und Anreize,

ihr Gebäude klimaneutral

zu stellen.

CO₂ Abgabe e.V.

Dr. Jörg Lange, Vorstand CO₂ Abgabe e.V.

E-Mail: Joerg.Lange@co2abgabe.de www.co2abgabe.de

Bewertung 

Klimaschutzpaket vom 20.9.2019

Danke und eine gute Diskussion