Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE untersuchen in einem Forschungsprojekt, wie ein kleines Quartier in der Gemeinde Gutach im Breisgau mit einer Schule und mehreren Mehrparteienhäusern durch solarbetriebene Wärmepumpen versorgt werden kann. Als Wärmequelle nutzen sie unter anderem Abwärme einer Brennerei auf niedrigem Temperaturniveau.
„Eine Photovoltaik-Anlage wird einen erheblichen Teil des Stroms für den Antrieb der Wärmepumpen erzeugen – und wir denken darüber nach, den Photovoltaik-Eigenverbrauch durch eine kleine Elektrolyseur-Einheit zu optimieren“, erklärt die Fraunhofer-Forscherin Constanze Bongs gegenüber pv magazine.
Die Photovoltaik -Anlage soll jährlich 95 Megawattstunden Strom produzieren, wovon etwa 20 Prozent für die Stromversorgung der Schule verwendet werden. Die Elektrolyseureinheit produziert Wasserstoff, der verlustfrei gespeichert und im Winter wieder in Strom umgewandelt werden kann. Die dabei entstehende Abwärme kann ebenfalls zur Beheizung der Schule genutzt werden. Auf das Jahr gerechnet lässt sich ein erheblicher Teil des Stromverbrauchs der Schule, der Wärmepumpen und der Heizungsanlage durch die Photovoltaik -Anlage decken.
Wärmepumpen sollen auch Systemdienstleistungen liefern
In der vorgeschlagenen Anlagenkonfiguration wird der Wärmebedarf der Schule und der Mehrfamilienhäuser durch Wärmepumpen gedeckt, die industrielle Abwärme aus der nahe gelegenen Elztalbrennerei sowie Wärme aus Grundwasserbrunnen als Niedertemperaturwärmequellen nutzen. Diese Wärme wird in einen Eisspeicher eingespeist, an den quellenseitig Wärmepumpen angeschlossen sind.
„Der Wärmetransport erfolgt über eine 200 Meter lange unterirdische Wasserleitung von der Brennerei zum Eisspeicher“, so Projektleiter Wolfgang Kramer gegenüber pv magazine. „Die Photovoltaik-Anlage produziert unabhängig vom Pumpenbedarf Strom.“
Anstelle von herkömmlichen Heizkörpern werden in den Gebäuden Klimadecken installiert. Dies soll einen effizienten Betrieb des Wärmepumpensystems ermöglichen, da die Vorlauftemperaturen im Heizsystem damit sinken.
Die endgültige Auslegung des Systems ist noch offen. „Daher stehen die Gesamtwirkungsgrade noch nicht fest“, erklärt Kramer und weist darauf hin, dass die Wärmepumpe sowohl Heizwärme als auch zumindest einen gewissen Anteil an Warmwasser liefern wird.
Über ein Energiemanagementsystem (EMS) sollen zusätzliche Systemdienstleistungen wie Regelleistung oder der Bezug von Strom bei negativen Strompreisen angeboten werden. „Wir werden prognosegestützte Regelalgorithmen für den Netzbetrieb entwickeln und testen“, erklärte Bongs.
Kramer sieht das System als eine vielversprechende Lösung für andere Anwendungen, sofern Niedertemperatur-Abwärme verfügbar ist. „Es soll 2023 in Betrieb gehen und bis 2024 ausgewertet werden“, sagte er.
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