Power-Zelle für das Eigenheim

Technik

Fronius. - Dezentrale Energieerzeugung entlastet die Transportnetze und ist volkswirtschaftlich sinnvoll, weil sich die Zahl der Energieanbieter erhöht. Fronius geht mit dem Konzept Energiezelle noch einen Schritt weiter: Es verknüpft dezentrale Erzeugung mit Speicherung und bedarfsgerechter Nutzung von Solarstrom vor Ort.

05. November 2012

fronius verfolgt diesen dezentralen Ansatz auf der Ebene eines Einfamilienhauses, um dort Energie zu erzeugen, wo sie auch benötigt wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die entstehende Abwärme direkt für Warmwasseraufbereitung und Heizzwecke genutzt werden kann, so das Unternehmen in einer Mitteilung. „Somit wird ein sehr hoher Gesamtwirkungsgrad erreicht“, heißt es. In zentralen Kraftwerken gibt es für die Abwärme am Standort im Allgemeinen keinen Bedarf beziehungsweise werden Fernwärmenetze aufgrund der Kosten- und Abnehmerstruktur selten realisiert.

Während des Tages und bei ausreichender Sonneneinstrahlung können die Stromverbraucher direkt über den PV-Wechselrichter betrieben werden. Stromüberschüsse werden auf mehrere Arten genutzt. Einerseits werden damit Batterien geladen, die in den Abend- und Nachtstunden die benötigte Energie zur Verfügung stellen (Kurzzeitspeicherung). Andererseits wird mit den Stromüberschüssen der Sommermonate ein Elektrolyseur in der Fronius Energiezelle versorgt.

Dieser erzeugt Wasserstoff, der im externen Tank gespeichert wird. „Im Winter wird der gespeicherte Wasserstoff mit der Brennstoffzellenfunktion der Fronius Energiezelle wieder zurück in Strom gewandelt“, so das Unternehmen. Diese Umwandlungsprozesse der Energiezelle erzeugen zusätzlich Abwärme, die zur Warmwasseraufbereitung und zur Heizungsunterstützung verwendet wird. Das Energiemanagementsystem sorgt im Gesamtsystem für die optimierte Energienutzung und -verteilung. „Damit ist das Fronius Haus der Zukunft völlig energieautonom, 100 Prozent der benötigten Energie werden aus PV erzeugt und sind zu jedem Zeitpunkt verfügbar“, heißt es. Für den Kurzzeitspeicher sind 10 kWh Speicherkapazität ausreichend. Um Technologie-Vergleichswerte zu erhalten, werden sowohl Blei- als auch Lithium-Batterien eingesetzt. Die Langzeitspeicherung wird durch die Energiezelle als Energiewandler und einen Wasserstofftank mit 1.200 kWh Energieinhalt möglich. Der Tank wird mit vier Bündeln à zwölf 50-Liter-Stahlflaschen bei einem Druck von etwa 200 bar umgesetzt.

Dieses Speichermedium ist Stand der Technik und seit Jahrzehnten in der Industrie etabliert. Durch eine Kombination der beiden Speichertechnologien entstehen wichtige Synergien: Im Kurzzeitspeicherbereich werden der gute elektrische Wirkungsgrad sowie die Fähigkeit der Batterien, Spitzenleistung zu liefern, genutzt. Energie über längere Zeiträume mit einer vergleichsweise sehr hohen Energiedichte zu speichern und diese dann in Form von Strom und Wärme nutzbar zu machen, ist die Stärke des Wasserstoffs. Weitere Komponenten sind die Wasseraufbereitung, bei der deonisiertes Wasser für die Elektrolyse erzeugt wird und der Wärmepufferspeicher, zur Nutzung der Fronius Energiezellen Abwärme.

Der Wechselrichter verknüpft den PV-Generator, das Wechselstromnetz und die Speichereinheiten. Die optimale Energieeffizienz innerhalb eines Gebäudes erfordert stets die simultane Kontrolle aller im Haus auftretenden Energieströme.

Diese werden an jene Stellen im Haus gelenkt, an denen sie benötigt werden. Basierend auf dem EY-Modulo-System der Fr. Sauter AG in Basel, erfüllt laut Fronius das Energiemanagementsystem (EM) die geforderte Aufgabe, indem es autark, über alle Gewerke hinweg, sowohl die thermischen als auch elektrischen Bedarfe innerhalb des Hauses erfasst und dadurch für eine bedarfsgerechte Bereitstellung Sorge trägt. Mit der gewählten Regelungsstrategie zur Optimierung vom Eigenverbrauch des solaren Ertrages wird dem Wunsch nach einem erhöhten Autonomiegrad des Hauses Rechnung getragen.

„Durch eine mögliche Ankopplung des Energiemanagers an das zukünftige intelligente Stromnetz rücken weitere Anwendungen, wie zum Beispiel die vom EVU zur Reduzierung von Netzlastschwankungen gesteuerten dezentralen Energiespeicher oder gar die private Strombörse in greifbare Nähe“, so Fronius.

Zentrale Führungsgröße für die Regelung der elektrischen hausinternen Energieströme ist der bidirektionale Leistungszähler am öffentlichen Stromnetz. Dieser erkennt aktuelle Laständerungen im Haus und veranlasst das Managementsystem, den Mehrbedarf über den Kurzzeit- und Langzeitspeicher zu decken. Gleiches gilt bei solarer Überkapazität: Hier entscheidet das Managementsystem, abhängig von der Kontinuität des solaren Ertrages, mit welcher Priorität die Speicher geladen werden, um dann, bei erreichter Füllung, mit der Netzeinspeisung zu beginnen. Anders hingegen sieht es beim Sanitär- und Heizwassermanagement im Haus aus: Nicht alle thermischen Bedarfe im Haus können ausschließlich durch die Abwärme der Fronius-Energiezelle gedeckt werden, so das Unternehmen. „Deshalb wird ein zusätzlicher Wärmeerzeuger in das Sauter-Energiemanagement-System integriert“, heißt es.

Über die Summe aller gemessenen Temperatur- und Verbrauchsdaten, werden vom EM beim Einsatz einer Wärmepumpe sowohl die optimale Vorlauftemperatur als auch die benötigte Warmwassermenge bestimmt und an diese übertragen. Die Einbindung von Pellet-Öfen ist gleichfalls denkbar.

Fronius plant die Konzept-Umsetzung an einem Standort der Firma.

+ 4-Personen-Haushalt in Österreich, Kopplung an das öffentliche Stromnetz

+ Beheizte Wohnfläche 170 m², Elektrischer Energiebedarf (ohne Wärmepumpe): 3.000 kWh/a

+ Heizenergiebedarf 2.500 kWh/a; 15 kWh/(m² a), Warmwasserbedarf 1.500 kWh/a (25 Liter à Tag/Person)

+ PV-Ertragsleistung 6.000 kWh/a; entspricht einer 60 m² PV-Anlage

+ Nutzerverhalten und Energieflüsse: Für die Aufteilung des PV-Ertrages wird Direktverbrauch über Kurzzeitspeicher und über Langzeitspeicher angesetzt

+ Die Realisierung lässt sich kompakt in einem Anlagenraum (etwa 11m²) und einem Wasserstoff-Tankraum (7,4m²) unterbringen

Erschienen in Ausgabe: 03/2012