Vom Flachdach zum „Kraftdach“

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Kombination aus PV, Wärme­pumpen und Eisspeicher

Das Unternehmen Kraftwerk Solutions aus Siegburg und seine Partner kombinieren Photovoltaik, Luftabsorber, Wärme­pumpen und Eisspeicher. Damit versorgen sie nicht nur die Betriebe mit Solarstrom, sondern liefern eine CO2-freie Heizung und Kühlung von Gewerbehallen. Dafür hat die pv magazine-Highlight-Jury das Prädikat „top innovation“ vergeben, berichtet Cornelia Lichner auf pv magazine am 06.05.2022.

PV auf Dach des Berliner Futuriums – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

„Wir sind jetzt in einem neuen Zeitalter angelangt, wo man die Gebäudehülle und das Energiepotenzial von Anfang an in die Architekturplanung mit einbeziehen muss“, sagte Arnold Berens, Geschäftsführer von Kraftwerk Solutions. In jedem Industriegebiet zwischen Flensburg und Garmisch-Partenkirchen gibt es Gewerbehallen, „1.000 Quadratmeter groß, mit rund 380 Quadratemetern Bürogebäuden dabei“. Für solche Gebäude hätten sein Unternehmen und Viessmann eine Lösung entwickelt, mit denen sie den Wärmebedarf ganz oder zu einem großen Teil regenerativ decken könnten.

Im Prinzip auch von anderen umsetzbar, sieht Berens eine der größten Hürden darin, dass alle Beteiligten umdenken müssten, auch die Planer, denen oft die Zeit dafür fehle. Noch sei der Effizienzansatz in den Köpfen vorherrschend. Dabei funktioniere so ein Kraftdach ganz einfach. Und wenn man damit genug Energie lokal einsammele, müsse man ein Gebäude nicht auf totale Effizienz trimmen.

Das sagt die Jury: Kraftwerk Solutions – Gewerbe-Kraftdach für lokale Wärme- und Stromversorgung

„Für die Kombination von Photovoltaik und Wärmegewinnung gibt es etliche Ansätze. Das Kraftdach löst zwei Probleme, die oft auftreten: Erdbohrungen oder Luft-Wasser-Wärmepumpen scheiden manchmal aus, die Alternative Photovoltaik-Solarthermie-Kombimodule fristen immer noch ein Nischendasein. Das System, das Kraftwerk Solutions mit Partnern entwickelt hat, funktioniert ähnlich wie diese, ist technisch jedoch weniger komplex, da es zwar die Wärme unter den Photovoltaik-Modulen als Quelle für eine Wärmepumpe nutzt, die Systeme technisch aber entkoppelt sind. Es erlaubt nach Angaben der Anbieter in Kombination mit einem Eisspeicher eine hohe Autarkie in Bezug auf Wärme und Strom und eine gute Wirtschaftlichkeit, beides ist wichtig für die Wärmewende. Da diese eine der größten Herausforderungen der Energiewende ist, prämiert die Jury die Entwicklung mit einem pv magazine highlight top innovation.“

Was auch immer „einfach“ bedeutet, ein Kraftdach ist typischerweise ein Flachdach mit Photovoltaik-Modulen. Unter den Modulen werden in einigen Zentimetern Abstand zusätzlich Luftabsorber installiert, die man sich wie Gitter aus flüssigkeitsgefüllten Röhrchen vorstellen kann. Mit diesen Absorbern kann Umweltwärme für eine Wärmepumpe aufgenommen werden. Um das Gesamtkonzept zu verstehen, darf man nicht nur auf das Dach, sondern muss auch unter die Erde schauen. Dort befindet sich ein Eisspeicher. Das ist ein großer Wassertank, in dem ebenfalls Absorber verlegt sind und der als zweite Wärme­quelle für die Sole-Wasser-Wärmepumpe dient. In dieser Konstellation aus Photovoltaik, Luftabsorbern, Wärme­pumpe und Eisspeicher ist das Kraftdach in der Lage, ein Gebäude mit Strom- und Wärme zu versorgen und auch zu kühlen. Eingesetzt wird das System vor allem für Lager- und Logistik­hallen, aber auch Büros und andere Gewerbeflächen mit großen Dächern und Heiz- und Kühlbedarf.

Welches Problem löst das Kraftdach?

Das Gesamtsystem bietet eine weitgehend CO2-freie Wärme­versorgung mit einem hohen Autarkiegrad. Strom- und Wärme werden vor Ort produziert. Nur ein Teil des Strombedarfs muss über das Stromnetz bezogen werden und Gas- oder Ölbezug ist als Back-up nur noch selten erforderlich. Das Konzept bietet außerdem einige Vorteile gegenüber anderen Lösungen mit Wärmepumpen.

Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdbohrung lassen sich nicht überall einsetzen. In einigen Gegenden Deutschlands dürfen bestimmte Erdschichten nicht durchbohrt werden. Gleichzeitig kosten tiefe Bohrungen viel Geld und flache Erdkollektoren benötigen Platz. Luft-Wasser-Wärmepumpen sind dagegen sowohl an den kältesten Tagen beim Heizen als auch an den wärmsten Tagen beim Kühlen ineffizient.

Deshalb wurden Eisspeicher entwickelt, die verschiedene Vorteile haben: Wasser gibt beim Gefrieren große Mengen an Energie ab, das Eis lässt sich auch für die Kühlung einsetzen und sie sind preisgünstig installierbar. Ein Nachteil ist, dass sie Kapazitätsgrenzen erreichen können und dass in der Übergangszeit die Umgebungstemperatur die bessere Wärmequelle darstellen kann. Diese Nachteile werden durch die Kombination mit dem Luftabsorber ausgeglichen.

Der Strombedarf für die Wärmepumpe kann größtenteils durch die Photovoltaik-Anlage gedeckt werden, die keinen zusätzlichen Platz beansprucht. Da die Luftabsorber aber nicht unmittelbar mit den Photovoltaik-Modulen verbunden sind, gibt es nur wenig Wechselwirkung zwischen Solarmodul und Absorber. Der Absorber profitiert kaum von der Abwärme der Module, die Module werden im Gegenzug nur einen geringen leistungsfördernden Kühleffekt erhalten, sie werden kaum schneller vereisen, lassen sich aber auch nicht durch die Absorber abtauen. All die Wechselwirkungen in einem Photovoltaik-Thermie-Kombimodul (PVT) treten hier nicht oder nur sehr reduziert auf. Dafür sind Luftabsorber aber auch nutzbar, wenn die Sonne nicht scheint und in der Nacht.

Durch Kunststoffabsorber für viele Dächer geeignet

Die Grenzen des Einsatzes findet eine Photovoltaik-Wärme-Kombination dort, wo die Traglast der Dächer begrenzt ist, wie in der Sanierung. Hier biete Kraftwerk Solutions ein besonders leichtes System mit Kunststoffabsorbern und geringeren Querschnitten an, so Viessmann. Es habe im Gegensatz zur früheren Lösung mit Aluminiumabsorbern deutlich an Last eingespart.

Das Gewicht liegt jetzt bei 25 bis 30 Kilogramm pro Quadratmeter. Weiteres Gewicht kommt hinzu, wenn je nach Wärmebedarfsplanung Absorber doppellagig installiert werden müssen. Ebenfalls auf dem Dach befinden sich Anbindeleitungen, Sensorik und Übergabestationen. Kraftdach zielt dabei auf ein möglichst standardisiertes und einfach zu installierendes System, um Projekte mit geringem Personalaufwand umzusetzen.

Ein weiteres wichtiges Alleinstellungsmerkmal sei die Anlagen­steuerung, die in den Verantwortungsbereich des Wärmepumpenherstellers Viessmann fällt. Hier ist zum einen das Quellenmanagement wichtig. Das System muss stets die energetisch günstigere Quelle nutzen. „Jedes zusätzliche Grad Quellentemperatur erhöht die Effizienz um 2,5 Prozent“, sagt Heiko Ludemann, Produktmanager bei Viessmann. Gleichzeitig darf der Eisspeicher seine Kapazitätsgrenze nicht zu früh erreichen.

Um zu verhindern, dass sich das System zu früh „herunterschaukelt“, werde der Eisspeicher in der Regel nicht vor Januar als Wärmequelle genutzt. An wärmeren Wintertagen kann er zwar über die Wärmepumpe regeneriert werden. Ziel ist es aber, ihn zum Ende der kältesten Periode vollständig durchzufrieren. Der Eisblock werde dann wiederum geschont, um im Sommer als effektiver Kältespeicher die Kühlung zu unterstützen.

Interesse sehr groß

Das Interesse am Konzept des Kraftdachs ist nach Aussage von Berens sehr groß. „Häufig interessieren sich auch Eigenheimbesitzer dafür, weil sie Erdbohrungen vermeiden wollen und genügend Platz auf ihren Dächern haben“, sagt er. Sein Unternehmen konzentriert sich allerdings auf größere Gewerbekunden und würde es dem Handwerk überlassen, Projekte für Privatleute zu bauen.

Einer der Großkunden, die ein Kraftdach umgesetzt haben, ist der Flughafen Köln-Bonn. Die Anlage, realisiert von Metternich Haustechnik, befindet sich auf dem Dach des neuen DHL-Express-Logistikzentrums, das im November 2019 eröffnet wurde. Darunter liegen 12.000 Quadratmeter Frachthalle und 3.000 Quadratmeter Bürofläche, die im Winter mit Wärme versorgt und im Sommer kühl gehalten werden. Die PV-Anlage, die trotz der Lüftungsanlagen, Licht­kuppeln und Rohrleitungen Platz fand, hat eine Leistung von 300 Kilowattpeak. Der dazugehörige Eisspeicher hat ein Fassungsvermögen von 1,3 Millionen Litern. Im Wasserbecken sind 18 Kilometer Absorberleitungen verlegt.

Seit die Kraftdachanlage im Sommer 2018 in den Probe­betrieb gegangen ist, hat es zwei Jahre gedauert, bis alles fertig optimiert und alle Arbeiten abgeschlossen waren, erläutert Josef Farwick, Leiter Energieerzeugung und Messstellen­betrieb beim Airport Köln-Bonn. In der ursprünglichen Planung sollte die Anlage nur die Logistikhalle versorgen und stellt dafür 575 Kilowattstunden erneuerbar erzeugte Wärme und 425 Kilowattstunden Kälte bereit. Da sie im Sommer bei der Kühlung des Gebäudes aber auch viel Abwärme produzierte, ist sie nachträglich doch noch an das airport-eigene Fernwärmenetz angeschlossen worden und speist überschüssige Wärme dort ein. Im Gegensatz zum Erdgas- oder Heizölbezug fallen für den Energieeinsatz nun nur noch nachts Stromkosten an.

KfW-40-Standard erreichbar

Gebäude mit Kraftdach können leicht den KfW-40-Standard oder besser erreichen, sagt Heiko Ludemann. Sie ließen sich sogar nach Nachhaltigkeitsstandards mit Gold oder Platin zertifizieren. Das System sei ideal für Gebäude mit Wärme- und Kühlbedarf. Es ist in der Anschaffung nach Kalkulationen der Unternehmen 10 bis 15 Prozent teurer als herkömmliche Wärme­pumpen-Heizsysteme. Dafür erhalte man sehr planbare und niedrige Betriebskosten für 20 Jahre. Die Amortisation sei innerhalb von acht Jahren erreichbar. Inzwischen seien bereits mehr als 100 Kraftdächer im Einsatz. Je nach Dachgröße sei es nur selten nötig, noch eine weitere Back-up-Heizungs­lösung zu installieren. Die Stromautarkie der bisher umgesetzten Projekte lag bei 60 bis 80 Prozent.

Die Juroren

  • Volker Quaschning ist Professor für regenerative Energiesysteme an der HTW Berlin.
  • Hans Urban, Experte für Photovoltaik, Speicher und E-Mobilität.
  • Winfried Wahl leitet das Produktmanagement bei Longi Solar in Deutschland

Einsendeschluss für die nächste Runde: 01.08.2022

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