Sparsam, nachhaltig, netzdienlich

Felix Kruse ist sehr zufrieden. Das von ihm erdachte Energiekonzept, richtiger: Energiesparkonzept, für sein Einfamilienhaus ...

... erfüllt seine Erwartungen. Die waren durchaus risikobehaftet. Denn die damalige Brennwert-Gasheizung hatte er schon auf Heizkosten von 3.000 Euro im Jahr auf Vordermann gebracht. Trotzdem, 30.000 Euro in zehn Jahren, zukünftige Preissteigerungen nicht mal eingerechnet? Da musste doch noch was gehen. Es ging noch einiges ...

Das HeizungsJournal hatte die Anfänge des Umbaus begleitet und in zwei Folgen bereits darüber berichtet (beide Beiträge sind online verfügbar unter: https://tga.li/0V7 sowie https://tga.li/waf1). Nochmals in Kürze: „2016 hatten wir das Haus gekauft, rund 240 m² beheizte Fläche, Baujahr 1986. Der Energieausweis – ein Verbrauchsausweis – versprach niedrige Heizkosten. Deshalb waren wir sehr überrascht, als wir eine Nachzahlung von 1.000 Euro leisten mussten, obwohl die Raumtemperaturen bei 20 bis 21 °C lagen. Wir hatten nicht berücksichtigt, dass die Vorbesitzer, ein älteres Ehepaar, sich vermutlich mit ein paar warmen Zimmern begnügten. Das Haus hat sowohl Fußbodenheizung als auch Radiatoren. Wir schauten uns die Vorlauftemperaturen an, wunderten uns wegen deren Höhe und führten zunächst einmal einen hydraulischen Abgleich durch. Die Vorlauftemperatur ließ sich daraufhin massiv absenken.“

Am Anfang monovalent mit BHKW

Prof. Dr. Felix Kruse, Dozent für Maschinenbau an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW Hamburg), spricht, wie gesagt, von Erdgaskosten zu Friedenszeiten, vor dem Russland-Ukraine-Krieg. Umso mehr profitiert er heute von seiner damaligen Entscheidung, sich nicht mit dem sauberen Einstellen des Bestands zufriedenzugeben.

Die Auswertung der verschiedenen Systeme führten ihn zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – und zwar zur monovalenten KWK: Die erste Stufe seines Umbaus bestand im Ersatz der Erdgastherme durch ein Mini-BHKW. Die Wahl des Sanierers fiel auf das Aggregat „XRGI 6“ von EC Power mit 6 kW elektrischer und 14 kW thermischer Leistung. Das lässt sich, laut Datenblatt, elektrisch zwischen 2,5 und 6 kW modulieren, sodass es bei kleinster Last mit einem ausreichend großen Speicher bis in den Sommer hinein monovalent Dienst tun kann. Zu dieser Maschine hatten ihm die KWK-Spezialisten der Karl Meyer Energiesysteme GmbH, Wischhafen, geraten. Die Firma vertritt in Teilen Norddeutschlands als Premiumpartner den Hersteller EC Power.

Felix Kruse zog 2021 nach drei Jahren Betrieb für das HeizungsJournal eine erste Bilanz: Der Artikel „E-Auto finanziert den Restbetrag – Monovalentes Heizen mit Mini-BHKW im Einfamilienhaus“ entstand (vgl. ersten Link am Anfang des Artikels). Im Mittelpunkt steht der wirtschaftliche Beweis, warum es entgegen der landläufigen Meinung auch monovalent geht. Die Bilanz sah noch besser aus als die Kalkulation: Der Heizstab hatte nicht ein einziges Mal einschalten müssen. Noch ungewöhnlicher: Kruse war von der ausreichenden Wärmeleistung seines Schemas so überzeugt, dass er das Backup erst gar nicht hat installieren lassen. Die Widerstandsheizung liegt also noch originalverpackt im Regal.

BHKW und Wärmepumpe statt Wärmepumpe und PV

Der Hochschullehrer aus Stade an der Elbe, auf der anderen Seite von Hamburg, dachte über weitere Kosten- und Energiereduzierungen nach – über die sparsame Strom-Wärme-Erzeugung hinaus. Das Ergebnis: Die ehedem monovalente BHKW-Station erweiterte sich mittlerweile sowohl zu einem Hybrid als auch zu einer Mini-Quartierslösung. Die Quartierslösung besteht aus einem Nahwärme- und neuerdings auch einem Stromnetz mit dem Nachbarn, der Hybrid aus der KWK-Anlage, aus einer Heizungs- und einer Brauchwarmwasser-Wärmepumpe und einem Redox-Flow-Stromspeicher. Das BHKW ließ er zudem auf Flüssiggas mit Bioanteil umstellen. Der Plan lag schon länger in Kruses Schreibtischschublade. Wie schon erwähnt: Das HeizungsJournal hatte ihn im Heft 12/2022 skizziert (vgl. zweiten Link am Anfang des Artikels).

In den Corona-Jahren startete die Realisierung, heute ist der Umbau Realität. Wie sieht die Installation konkret aus, welche ersten Erfahrungen machte der Betreiber? Davon handelt nun der dritte Teil dieser Reportage.

Schon in der ersten Phase, also um 2018/2019, liebäugelte der Bauherr mit einer zusätzlichen Wärmepumpe. „Ich hatte schon immer die Vision, wegen der Abwärme eventuell eine Wärmepumpe mit einem BHKW zu koppeln, weil das auch netzdienlich ist. Dann, wenn die Wärmepumpe den Strom braucht, in erster Linie im Winter nämlich, läuft auch mein BHKW. Ich verstehe nicht, warum viele Veröffentlichungen die Kombination von Photovoltaik (PV) und Wärmepumpe als die Lösung schlechthin propagieren. Beide Geräte haben doch einen komplett entgegengesetzten Jahresverlauf von Produktion und Verbrauch. Ausgenommen, Sie nehmen die Wärmepumpe im Sommer zum Kühlen. Dann erhöht sich natürlich die Eigenstromnutzung. Ansonsten wird Strom eingespeist, zu Zeiten, wo die Stromproduktion ohnehin hoch und der Verbrauch niedrig ist. Das belastet das Stromnetz.“

Wärme und Strom für den Nachbarn

„Und was wollen Sie mit Photovoltaik für die Wärmepumpe im Winter? An Solarstrom dürfen Sie nicht viel erwarten. Schauen Sie sich die „Energy Charts“ in dieser Zeit an (Anm. d. Red.: www.energy-charts.info). Also müssen Sie öffentlichen Strom konsumieren. Und der hat im Winter wegen des hohen Kohleanteils hohe CO₂-Emissionen zur Folge. CO₂-arm ist die Lösung PV plus Wärmepumpe wirklich nicht. Das Stromnetz ist kein Langzeitspeicher, in den man im Sommer einspeichern und im Winter ausspeichern kann. Verbrauch und Erzeugung müssen immer in Einklang stehen.“

Mit der Kombination Blockheizkraftwerk plus Wärmepumpe sei das gegeben. Alleine war die Lösung allerdings nicht umsetzbar. Der Wärmebedarf des Hauses reichte für den wirtschaftlichen Betrieb des BHKW, für eine Kombination mit einer Wärmepumpe war er jedoch zu gering. Als Lösung bot sich der Nachbar als Abnehmer an, dessen Gastherme streikte. Kruse vereinbarte mit ihm ein Mini-Nahwärmesystem, unter anderem eben mit Heizenergie aus dem regelbaren „XRGI“. Damit hatte sich der Wärmebedarf annähernd verdoppelt. Die genannte Veröffentlichung in HeizungsJournal-Ausgabe 12/2022 ging ausführlich auf die Ausführung ein.

Erfahrungen aus dem ersten Winter

Die Planung und Ausführung des Nahwärmeverbunds erfolgten in der ersten Jahreshälfte 2022. Ende Juli 2022 ging dann die Bestellung der Wärmepumpen an Karl Meyer Energiesysteme, das Unternehmen, das auch das BHKW geliefert und eingebaut hatte. Die Hydraulik beim Nachbarn bestand vor dem Umbau aus einem gemischten Heizkreis mit einer Systemtrennung für die Fußbodenheizung in EG und DG sowie einem ungemischten Heizkreis für die Heizkörper im Kellergeschoss. Die Brauchwarmwasserbereitung übernahm die Gastherme in Verbindung mit einem 150 l Speicher mit Heizwendel, der in Vorrangschaltung aufgeheizt wurde.

Im Zuge des Anschlusses an die Nahwärmeleitung strukturierten die Techniker die Installation im Haus nebenan so um, dass sie heute verschiedene Betriebsmodi gestattet. Im Grundmodus kommt alle Wärme über die Nahwärmeleitung. Sollte die Leistung nicht ausreichen, deckt im Normalfall eine Zusatzheizung – hier die vermeintlich kaputte alte Gastherme – in Reihe das Defizit. Die Nahwärme wirkt dann wie eine Rücklaufanhebung. Und nach wie vor kann die Gastherme auch allein die Räume beheizen.

Die Umschaltung in die verschiedenen Betriebsmodi geschieht von Hand über drei Absperrhähne. Der Nachbar erhielt darüber hinaus eine Frischwasserstation, die die Wärme aus einem 200 l Pufferspeicher bezieht. Diese Lösung verringert zum einen die Gefahr einer Legionellenbildung und zum anderen lässt sie möglichst niedrige Rücklauftemperaturen im System zu.

Temperaturregelung Nahwärme

Die Heizungsregelung sollte möglichst unabhängig von den Wärmeerzeugern im Mutterhaus sein. Dafür ist der universelle Regler „DeltaTherm HC MAX“ von Resol zuständig. Er sorgt über eine gemischte Pumpengruppe im Haus Kruse für die Soll-Vorlauftemperatur in der Nahwärmeleitung in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der ausreichenden Versorgung der Heizkörper im Keller des Angeschlossenen. Im Fall einer Beladung des 200 l Pufferspeichers für die Frischwasserstation schaltet dieser Heizkreis ab und übergibt kurzzeitig an einen zweiten gemischten Heizkreis für einen Festwert von 65 °C.

„DeltaTherm“ regelt zwei weitere Heizkreise, die gemischte Pumpengruppe für die Fußbodenheizung und den ungemischten Heizkreis für die Heizkörper. Auch diese Kreise nimmt die Resol-Lösung bei Beladung des Pufferspeichers außer Betrieb. Der Bauherr: „Sehr hilfreich bei der Parametrierung des Reglers ist der vom Hersteller angebotene Simulator. Damit kann man vorab ohne Risiko den ganzen Regelablauf testen.“

Der Wärmeverbund ging am 1. Juni 2022 in Betrieb. Bis zum Anlaufen der Heizungs-Luftwärmepumpe im Dezember 2022 blieb mithin genügend Zeit, die neue Hydraulik zu erproben. Weil die einzige Kältephase im Winter 2022/2023 Ende November/Anfang Dezember herrschte, vor dem Start der Wärmepumpe, kamen zwangsläufig die verschiedenen Betriebsarten zum Einsatz. Für beide Häuser hat das BHKW bei Außentemperaturen unter 2 °C seine Grenzen.

Trotz wochenlangem Dauerlauf bei Volllast sanken erst die Temperatur im BHKW-Puffer und dann die Temperaturen in den Häusern. Ein findiger Monteur von Karl Meyer Energiesysteme nahm daraufhin kurzerhand nach einer Überprüfung die vermeintlich defekte Gastherme im Nebenhaus wieder in Betrieb. Und zur Überraschung aller lief sie tadellos. Welchen schwerwiegenden Defekt der vorherige Heizungsbaubetrieb diagnostiziert hatte, blieb offen. Ebenso funktionierte die Reihenschaltung von Nahwärmeversorgung und Gastherme auf Anhieb. Die Schaltung lieferte – auf Festwert eingestellt – 60 °C warmes Wasser in das System. Und natürlich wickelte die Therme als alleiniger Wärmeerzeuger auch den Notfallbetrieb störungslos ab.

Verstopfte Fußbodenheizung

Die Betreiber erfuhren in dieser Heizphase, dass die Rücklauftemperaturen im System stets weit unter der für die bestellte Wärmepumpe kritischen Marke von 60 °C lagen. Ab diesem Wert geht das Aggregat in die Verdichter-sperre. Nur der Kundendienst kann es wieder freischalten. Die Sorge um diesen Punkt erledigte sich somit. Was sich in Haus 2 offenbarte: Die Fußbodenheizung litt nach 40 Jahren Betrieb regelrecht unter Verstopfung. Es zirkulierte nur noch ein dünner Strom durch die Rohre. Nach einer Reinigung mit dem effektiven und gleichzeitig schonenden System der Stahmer Fußbodenheizung GmbH aus Hamburg brachte sie wieder die volle Leistung. Die bei der Gelegenheit neu eingebauten Verteiler ermöglichten auch einen sauberen hydraulischen Abgleich.

Die verbaute Systemtrennung (Wilo-„Safe“) mit einem Rohrwendel-Wärmeübertrager erhielt jedoch von den Sanierern einen Minuspunkt: „Sie bietet Verbesserungspotential. Denn sie benötigt im Primärkreis recht hohe Vorlauftemperaturen.“ Ebenfalls zeigte sich, dass die Regelung der Vorlauftemperatur in der Nahwärmeleitung unter bestimmten Bedingungen zum Aufschwingen neigte – dazu später mehr.

Parallel statt in Reihe

Die Luftwärmepumpe „LA 1118C“ aus dem Hause Glen Dimplex stand pünktlich Ende November 2022 vor der Ga-rage. Zwei Tage vor Heiligabend nahm sie ihren Dienst auf. Sie hat zwei Verdichter und schafft in der ersten Stufe bis 50 Prozent Volllast. Es handelt sich um eine reversible Monoblockanlage. Den größeren Hydraulikpart, die Kältetechnik, verankerten die Monteure vor dem Haus, im Haus hängt lediglich eine kleine Wärmeverteilstation und der Wärmepumpenregler.

Die „LA“ stellt den beiden Häusern bei einem Durchsatz von stündlich 3.200 m³ 2-grädiger Luft 12,3 kW mit 35 °C zur Verfügung. Die Leistungszahl bei diesen Verhältnissen gibt das Datenblatt mit 3,8 an. Bei einer Außentemperatur von -7 °C und 35 °C Vorlauftemperatur reduziert sich, nach Werksangaben, das Wärmeangebot auf 10,6 kW und auf eine Leistungszahl von 3,2. Zusammen mit den 14 kW an thermischer Leistung des BHKW stehen also gut 25 kW zur Verfügung. Genug für beide Häuser bei den am Standort Großraum Hamburg üblichen Temperaturen.

Unkonventionell entwarf Ingenieur Kruse den hydraulischen Schaltplan für die einzelnen Komponenten seiner Heizung. Von Anfang an setzte er auf eine parallele Schaltung von BHKW und Wärmepumpe, statt der üblichen Reihenschaltung. In seinem Fall teilt sich der Rücklauf, sodass sowohl der Wärmepumpe als auch dem BHKW der kalte Strom zufließt. „Das war mir sehr wichtig“, erklärt der Bauherr, „denn ansonsten hätte die Anlage viel vom Potential des großen, dem BHKW nachgeschalteten Abgaswärmeübertragers verschenkt, bis zu zehn Prozent thermischer Wirkungsgrad und bis zu 1,5 kW zusätzlicher Wärmeleistung, was sich durch den Brennwert-Effekt ergibt“.

Ergiebige Kondensation

Das Team von Dimplex hatte anfangs Bedenken, half aber schließlich doch mit, den gewünschten Hydraulikplan umzusetzen, brachte Ideen ein. „Der für uns zuständige Servicetechniker Matthias Böttcher von Dimplex und Hauke Leidecker als technischer Leiter bei Karl Meyer Energiesysteme achteten dabei stets auf eine gute Dokumentation, dass im Schadensfall zielgerichtet repariert werden kann.“

Wie erwähnt, empfehlen die Hersteller standardmäßig die serielle Ausführung. Die Wärmepumpe heizt vor, das BHKW heizt nach. EC Power vertreibt eine solche Lösung mittlerweile als „Kraftwärmepumpe“. In der Reihenschaltung beaufschlagt das BHKW aber die Vorlauftemperatur der Wärmepumpe als Rücklauftemperatur. Läuft die Wärmepumpe beispielsweise mit 45 °C Vorlauftemperatur, ist der Brennwerteffekt noch klein, die Auskondensation des im Abgas enthaltenen Wasserdampfes beginnt erst bei etwa 50 °C und steigt mit fallender Rücklauftemperatur steil an.

„Wir haben bei unserem Haus einen großen Aufwand in den hydraulischen Abgleich gesteckt und kommen nun trotz Heizkörper auf Rücklauftemperaturen unter 30 °C. Da fühlt sich erstens die Wärmepumpe so richtig wohl und der externe Abgaswärmeübertrager wird seiner Funktion voll gerecht“, schwärmt Kruse von dem Schema. Nachteil der Parallelschaltung sei jedoch, dass sie zur Hebung des vollen Potentials eine übergeordnete Regelung benötigt.

Die Zusammenführung der beiden Vorlauftemperaturen von Wärmepumpe und BHKW übernimmt ein 3-Wege-Mischer. Über den kann die System-Vorlauftemperatur präzise eingestellt werden. Der Anteil von heißem BHKW-Wasser und kühlerem Wärmepumpen-Wasser an der Gesamtleistung des Systems lässt sich stufenlos regulieren. Der Volumenstrom stellt sich automatisch durch die „saugenden“ Pumpen der verschiedenen Verbraucher ein, eine zusätzliche Förderpumpe erübrigt sich. Zur Beladung des 200 l Puffers der Frischwasserstation im Nachbarhaus auf 65 °C bedarf es einer hohen Vorlauftemperatur von etwa 70 °C. Die Regelung fährt deshalb den Mischer auf 100-Prozent-BHKW. Umgekehrt ist auch ein 100-Prozent-Wärmepumpenbetrieb möglich. Oder eben ein simultaner Mischbetrieb von beiden.

Eine übergeordnete Intelligenz

Die übergeordnete Regelung heißt in Stade Siemens-„Logo!“-SPS. Sie stellt den Mischer ein, der die Vorläufe von BHKW und Wärmepumpe zusammenführt. Nach nicht zufriedenstellenden Versuchen mit einer 3-Punkt-Regelung ist mittlerweile ein 24-V-Proportionalmischer von ESBE am Werk. Mit einer selbstprogrammierten PI-Regelung in der „Logo!“ läuft dieser nun zur Zufriedenheit des Bauherrn „präzise und seidenweich“. Zudem gibt der Mischer über ein 0-10 V Signal die Stellung an, sodass ein Fehler schnell erkannt und entsprechend reagiert werden kann. Das BHKW wird von der „Logo!“-SPS über einen seriellen Modbus-RTU ferngesteuert. Dafür gibt es in der EC Power Regelung einen „Virtual Heat Power“-Modus, kurz „VHP“-Modus. Über den kann unter anderem die Leistung stufenlos von außen variiert sowie das BHKW an- und ausgeschaltet werden.

Der Stromspeicher ist über Modbus-TCP integriert, hier allerdings nur, um Werte zu lesen. „Ein Eingriff in das Energiemanagementsystem des Stromspeichers war mir zu heikel“, betont Kruse. Weiterhin gibt die „Logo!“ über ein digitales Signal die zweite Verdichterstufe der Wärmepumpe frei oder sperrt sie. Sie regelt ferner die Kühlung des Stromspeichers und schaltet bei Bedarf die Wallbox an oder aus. „Es ist schon enorm, was man selbst aus der kleinsten aller Siemens-SPS herausholen kann“. Den Entwurf der Schaltung und die Programmierung der „Logo!“ übernahm Kruse in Absprache mit Dimplex selbst. „Dieses Feintuning mithilfe der SPS erhöht die Effizienz. Man muss aber wissen, was man tut“, räumt der Hauseigentümer ein.

Dimensionierung von Mischern

Damit meint er auch die Einstellung der Mischergruppe zum Nachbarhaus. Die muss einen extrem großen Regelbereich abdecken können, mit Leistungen von 0,5 bis 30 kW. Und, wie bereits angedeutet, neigte die Vorlauftemperatur der Mischergruppe dazu, sich aufzuschwingen. Alle Versuche, die Schwingung über die Regelparameter zu vermeiden, brachten keinen oder nur mäßigen Erfolg.

„Im HeizungsJournal fand ich dazu dann einen sehr hilfreichen Artikel, Titel: »Die Heiztechnik setzt wieder auf den Mischer« (vgl. https://tga.li/4Z4o). Der Autor, Jürgen Lutz vom Unternehmen Resideo, ging darauf ein, wie die 3-Punkt-Mischer funktionieren und wie man sie korrekt dimensioniert. Vor allem den sogenannten kvS-Wert und somit die Durchflussmenge. Für mich war das eine unglaublich wichtige Lektüre für dieses Vorhaben. Laden wir drüben den Brauchwarmwasserspeicher auf, brauchen wir 70 °C Vorlauftemperatur, die volle Leistung mit 25 kW. Ansonsten im Sommer auch mal nur 0,5 kW. Das würde wechselnde kvS-Werte bedeuten, in der Praxis normalerweise umgesetzt mit verschiedenen Drosselblenden. Ich sage nochmal Dank an den Autor. Ich habe seine Erläuterungen so umgesetzt, indem ich eine über ein 0-10 V Signal regelbare Heizungspumpe statt einer Drosselblende eingebaut habe. Damit stelle ich die Durchflussmenge je nach benötigter Leistung ein, geregelt von der SPS. Das funktioniert ganz prima. So kriegt man das hin, dass der Mischer nicht aufschwingt und trotzdem diesen breiten Leistungsbereich abdeckt.“

Der zyklenfeste Stromspeicher

Eine große Rolle kommt im Zusammenspiel der Anlage dem Stromspeicher zu. Erst mit einem zyklenfesten und dauerlastfähigen Stromspeicher kann die BHKW-Wärmepumpen-Kombination ihr volles Potential entfalten. Aus wirtschaftlichen Gründen muss es das Ziel sein, möglichst viel von dem mit dem „XRGI“ produzierten günstigen Strom zu nutzen. Weiterhin sollte der Anteil der Wärmepumpe an der Wärmeerzeugung möglichst hoch sein, einerseits aus Gründen des Klimaschutzes, andererseits natürlich ebenfalls aus wirtschaftlichen Überlegungen. Bezüglich des Anteils der Wärmepumpe gibt es ein wirtschaftliches Optimum, wie Kruse im zweiten Beitrag dieser Reportage erläuterte. Dieses ist im Wesentlichen vom (Fremd-)Strom- und Gaspreis abhängig und liegt bei den aktuellen Energiepreisen etwa bei 45 Prozent.

Beide Anforderungen lassen sich nur mit einem Stromspeicher erfüllen. Im Sommer produziert das BHKW fast nur die Wärme für die Warmwasserbereitung im Nachbarhaus, entsprechend liegt die Laufzeit bei wenigen Stunden pro Tag. In diesen wenigen Betriebsstunden produziert das „XRGI“ aber einen Großteil des Tagesstrombedarfs. Den deponiert der Speicher und sein Verbrauch verteilt sich über den Tag. Das „XRGI 6“ deckt so gut zwei Drittel des Strombedarfes beider Häuser. Im Sommer durchläuft der Stromspeicher am Tag zwei Zyklen (voll-leer-voll).

Das Übergangszeit- und das Winterschema

In der Übergangszeit findet ein „Entweder-BHKW-oder-Wärmepumpe“-Betrieb statt. Die Wärmeabnahme reicht aber noch nicht aus, um beide Wärmeerzeuger gleichzeitig zu betreiben. Die Laufzeit des BHKWs sollte jetzt auf den Tagesstromverbrauch abgestimmt sein, respektive die Wärmepumpe einen möglichst großen Anteil an der Wärmeerzeugung übernehmen. Kruse hat die „Logo!“-SPS so programmiert, dass die Wärmepumpe sich überwiegend aus dem Stromspeicher bedient und das BHKW diesen, bei ausgeschalteter Wärmepumpe, erst wieder auflädt, wenn er leer ist. Auf diese Weise kommen pro Tag bis zu sechs Zyklen des Stromspeichers zusammen, wobei die Wärmepumpe in ihren Betriebszeiten mit durchgehend hoher Last fährt.

Unter 8 °C Außentemperatur beginnt der Simultanbetrieb, dann läuft das BHKW dauerhaft mit mindestens 50 Prozent Leistung, was 3 kW_el entspricht. Die Wärmepumpe arbeitet voll in der ersten Verdichterstufe und zieht etwa 2,2 kW. Die Differenz von 0,8 kW Strom deckt den Grundverbrauch des Hauses, höheren Bedarf muss der Stromspeicher liefern. Ist der leer, erhöht die Regelung über den Mischer den Wärmeanteil des BHKW. Mit dem Mehr an Leistung lädt die KWK den Stromspeicher wieder auf und die Wärmepumpe schaltet gegebenenfalls selbstständig vorübergehend ab, was den Ladeprozess des Stromspeichers unterstützt. Ist der Speicher gefüllt und die Stromabnahme in den Häusern gedeckt, geht die Produktion ins öffentliche Netz. Alternativ kann der Wärmepumpenanteil erhöht und die zweite Verdichterstufe freigeschaltet werden, um etwa Einspeisungen ins öffentliche Netz mit nicht auskömmlichen Vergütungen zu vermeiden.

Bei Außentemperaturen unter -7 °C im Tagesmittel arbeiten dem Plan nach sowohl das BHKW als auch die Wärmepumpe, die jetzt mit beiden Verdichtern, mit maximaler Leistung. Dieser Fall ist seit dem Einbau allerdings noch nicht eingetreten, die Temperaturen waren bislang zu mild. Da das BHKW nicht mehr als 6 kW_el liefert und die Wärmepumpe im Zwei-Verdichter-Modus gut 5 kW verbraucht, bleibt rechnerisch nach Abzug der Grundlast beider Häuser nur noch ein sehr geringer Überschuss zum Laden des Stromspeichers. In diesem Fall müssten Lastspitzen aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden. Oder die Gastherme im Nachbarhaus wird als Zusatzheizung aktiviert. Dann kann die Wärmepumpe in den Ein-Verdichter-Betrieb mit geringerem kW-Bedarf zurückgeschaltet und der Stromspeicher wieder gefüllt werden. Das öffentliche Stromnetz würde so nicht belastet.

5.000 kWh Verluste

Bliebe noch die Herausforderung der Kühlung des Stromspeichers. Wie im zweiten Teil des Berichtes geschrieben, wird dieser warm. Und in den Technikräumen kamen bereits vor dem Einbau des Stromspeichers und den Wärmepumpen jährlich rund 5.000 kWh Abwärme zusammen. Dieser Aderlass war dem Hausherrn schon immer ein Dorn im Auge. Von einem Teil davon profitiert über die warme Decke die Wohnung im Parterre, der große Rest pufferte sich jedoch in den Aufstellräumen auf, um dann, ohne Arbeit zu verrichten, über Türen und Fenster letztlich nach außen und über den Fußboden in den Untergrund zu entweichen.

Das Anlagenschema lenkt den Schwund heute in eine zusätzliche Brauchwarmwasser-Wärmepumpe. Die bestellte der Sanierer gleich mit bei Dimplex und die Anlagenbauer verschraubten sie in den BHKW-Raum in der Nachbarschaft des „XRGI“ und dessen Puffer. „Der Abgaswärmeübertrager am »XRGI« strahlt ab, ebenfalls der Puffer, obwohl er isoliert ist, mit seiner relativ großen Oberfläche, die Brauchwarmwasser-Wärmepumpe selbst, die relativ hohe Anzahl von gedämmten Leitungen – völlig wärmedicht sind die aber auch nicht –, es addiert sich.“ Hinzu kommt nun noch die Abwärme des Stromspeichers, der Wechselrichter und der Kühlschränke im direkt angrenzenden Hausanschlussraum.

Schema der Rückgewinnung

Die Rückgewinnung dieser Wärmeverluste sieht so aus: Die Brauchwarmwasser-Wärmepumpe vom Typ „DHW 300+“ von Dimplex pustet über eine isolierte Rohrleitung ihre kalte, trockene (Ab-)Luft durch eine Kernbohrung in der Wand in den Raum mit dem Stromspeicher. Sie belädt sich dort mit dessen Abstrahlung und jener der drei Wechselrichter. Diese Luftführung erledigt gleich eine zweite Aufgabe: Der Redox-Flow-Stromspeicher muss in einem gekühlten und belüfteten Raum stehen, da er sich als Folge der chemischen Reaktionen in seinem Inneren nicht nur erhitzt, unter Umständen können auch geringe Mengen an Wasserstoff freigesetzt werden. Der Kreislauf übernimmt diese Belüftungsauflage.

Um nichts zu verschenken, tauschte Felix Kruse die Standardtür zum Stromspeicher-Raum gegen eine luft- und schalldichte Eingangstür. Die Kaltluft der „DHW 300+“ saugt die Wärme auf und über eine zweite Kernbohrung fließt alles wieder aufgrund des Unterdrucks in den BHKW-Raum zurück und zur Brauchwarmwasser-Wärmepumpe. Der Rundlauf startet erneut. „Die Wirkungsgradverluste von Stromspeicher und den Wechselrichtern sowie die Strahlungsverluste der Heizungsanlage werden nun zumindest zu einem großen Teil sinnvoll genutzt“, betont der Stader noch einmal den nachhaltigen Wert seines Schemas. „Die Amortisation dürfte sich in weniger als drei Jahren einstellen.“

Wieso? Bei der geschilderten Zirkulation kommt doch gar keine Außenluft mit ihrem Energieinhalt dazu, hörte er als Einwand. „Doch, natürlich, über das BHKW und über eine Öffnung in der Außenwand. Der Viertakter dieses Aggregats holt sich stündlich etwa 30 Kubikmeter von draußen. Etwas mehr als einmal pro Stunde wird das Luftvolumen im BHKW-Raum ausgetauscht.“

Einsparungen werden sich noch erhöhen

Felix Kruse fasst zusammen: „Wir haben jetzt ein netzdienliches Haus geschaffen. Wir produzieren mit dem größtmöglichen Ökostromanteil, der auch wirtschaftlich machbar ist, mithilfe von Bio-Flüssiggas, mit zwei Wärmepumpen und mit einem BHKW einen großen Anteil der Heiz- und Warmwasserwärme regenerativ. Das sind aktuell rund 55 Prozent. Diese Quote könnte man noch über einen höheren Biogasanteil wesentlich steigern.“

Das Blockheizkraftwerk erzeugt den Strom für die Wärmepumpe, die beiden Häuser und das E-Auto. Die Eigennutzung optimiert auch der Stromspeicher. „Im Winter speisen wir unabhängig vom Wetter und der Tageszeit Strom mit vergleichsweise niedrigem CO₂-Äquivalent ins Netz ein – sofern es sich lohnt. In Zeiten von Stromüberschuss können wir die Wärmepumpe, den Stromspeicher und das E-Auto als schaltbare Verbraucher unserem Netzbetreiber anbieten. In Summe immerhin 22 kW.“ Kruse rechnet weiter vor: „Die CO₂-Emissionen unserer beiden Häuser haben wir nach DIN V 18599, Blatt 9, berechnet und gegenüber dem Ausgangszustand mit zweimal Gastherme um 78 Prozent gesenkt. Der Primärenergiefaktor ist von 1,1 auf 0,28 reduziert.“

Die Heizkosten

„Die Heizkosten liegen bei thermisch 11-12 Cent/kWh netto, zu Vollkosten gerechnet. Also unter Berücksichtigung der Kosten für Wartung, Schornsteinfeger, Grundgebühren, Reparaturrücklage, Steuerberaterkosten und Abschreibung über 15 Jahre (Wärmepumpe) bzw. 60.000 Betriebsstunden beim BHKW. Bei einem Flüssiggaspreis von etwa 9 Cent/kWh netto mit 30 Prozent Bioanteil. Zum Vergleich: Bei diesen Gaskosten würde eine Gastherme – Kauf und Einbaukosten, geschätzt: 15.000 Euro, Nutzungsdauer 15 Jahre – bei etwa 15-16 Cent/kWh thermisch liegen. Die ebenfalls zu Vollkosten gerechneten Stromkosten des BHKW bewegen sich etwa 30 Prozent unter den marktüblichen Preisen pro Kilowattstunde.“

Und das alles ohne energetische Sanierung der Gebäudehülle. Die könne – sofern es sich finanziell lohnt – später immer noch angegangen werden. „Die dann geringere Wärmeabnahme macht es dann eventuell möglich, noch ein weiteres Haus an den Wärmeverbund anzuschließen. Die Lösung bietet sich somit insbesondere für historische Gebäude an, bei denen sich so eine aufwändige und teure energetische Sanierung einer denkmalgeschützten Gebäudehülle vermeiden lässt. Oder gar die Zerstörung von Stuck und Zierelementen“, unterstreicht Felix Kruse.

Kühlen mit der Wärmepumpe geplant

Kruse freut sich derweil über einen Sommer ohne Bauarbeiten im eigenen Garten. Und auf die kommende Heizsaison, wenn das ganze System voll zum Tragen kommt. Als nächstes Projekt steht erstmal die Realisierung der 2,4-kWp-Photovoltaik-Anlage mit zweiachsiger Nachführung an. Bei der einachsigen Photovoltaik-Nachführung folgt das Modulfeld der Sonne entweder nur horizontal nach dem Anstellwinkel zur Sonne (Elevation) oder vertikal nach der Sonnenbahn (Azimut). Zweiachsige Tracker können beides und haben daher die höchste Energieausbeute, weil sie jeden x-beliebigen Punkt am Himmel anvisieren können – Veröffentlichungen sprechen von bis zu 40 und 45 Prozent Gewinn.

„Dann nämlich möchte ich die reversible Wärmepumpe im Sommer zum Kühlen einsetzen, idealerweise unter Nutzung der bestehenden Vor- und Rücklaufleitungen im Haus. Das Institut für Energietechnik der TU Dresden hat im Projekt »KUEHA – Kühlen mit der Heizungsanlage« für unser Haus sehr passende Erkenntnisse gewonnen und veröffentlicht. Und unser BHKW kann serienmäßig 20 Prozent Wasserstoffbeimischung vertragen. Das finde ich eine sehr spannende Option, zumal im Stader Chemiepark enorm große Mengen Wasserstoff als Koppelprodukt anfallen und über die Firma AirProducts in gereinigter, aufbereiteter Form vertrieben werden“. Das klingt also nach einem Teil 4 dieser Reportage – irgendwann.