Flüssiggas statt Erdgas

In Stade an der Elbe ist ein Eigentümer dabei, sein Einfamilienhaus CO₂-neutral zu sanieren. Davon profitiert ebenfalls sein Nachbar, der sich an die Erzeugungsanlagen nebenan angekoppelt hat. Im Mittelpunkt der Mini-Quartierslösung stehen ein Blockheizkraftwerk (BHKW), Photovoltaik (PV), zwei Wärmepumpen, ein besonderer Batteriespeicher, ein Nahwärmenetz, eine Wallbox und natürlich eine intelligente Regelungstechnik. Kürzlich kam der Batteriespeicher ins Haus. Was macht ihn besonders? Die Fortsetzung der Reportage zur Sanierung in Stade geht unter anderem auf dieses Detail wie auf weitere Segmente der privaten Energiewende ein.

Den Masterplan und Stufe 1, die frischen Erfahrungen mit der damals noch monovalenten BHKW-Station – also ganzjährig ohne zusätzliche Heizung –, hatte HeizungsJournal in Ausgabe 9/2021 (Sept.) unter dem Titel „E-Auto finanziert den Restbetrag – Monovalentes Heizen mit Mini-BHKW im Einfamilienhaus“ veröffentlicht – online verfügbar unter: https://tga.li/0V7.

Der Umbau ging glatt und es funktionierte alles wie gewollt. Die Umsetzung der Stufe 2, ein geplanter nachbarschaftlicher Energieverbund mit der gegenseitigen Belieferung von BHKW- und PV-Strom ging dagegen schief. Warum und welche Alternative kommt jetzt zum Tragen?

Als der promovierte Hochschulprofessor Felix Kruse 2015 mit der Planung begann und schließlich mit dem BHKW „XRGI 6“ von EC Power mit 6 kWel und 13 kWth 2018 startete, stand „grün“, die Reduzierung der CO₂-Emissionen, im Vordergrund. Die verschiedenen staatlichen und kommunalen Förderungen für eigenerzeugten Strom, plus der Verkauf von Überschuss, versprachen zudem eine Bilanz, nach der sich Einnahmen und Ausgaben weitgehend ausgleichen müssten. Konkret stand damals der Eigeninvestition von gut 25.000 Euro eine Minderung der jährlichen Ausgaben für Wärme und Haushaltsstrom von rund 3.000 Euro gegenüber. Das sah schon gut aus, dürfte sich indes in den kommenden Jahren durch weitere Einsparmaßnahmen sowie angesichts der Energiepreissteigerungen mit Blick vor allem auf die Eigenstromerzeugung noch verbessern.

In HeizungsJournal-Ausgabe 9/2021 erklärte Prof. Kruse das Konzept und belegte anhand der Zahlen aus den ersten Betriebsjahren, dass man ein BHKW zu Heizzwecken durchaus monovalent fahren kann. Mit PV, Stromspeicher und Wärmepumpe verbessert sich natürlich die Effizienz und mit der Belieferung des Nachbarhauses mit Strom und Wärme aus der eigenen Anlage auch die Kostenseite. Die Kunst besteht in dem richtigen Schlüssel für die jeweilige Leistung von BHKW, Wärmepumpe, Speicher und PV. Der Plan sah diese Nachrüstung als Sanierungsstufe 2 vor. Die ist gerade in der Realisierung. Die Fortsetzung der Reportage geht nun detaillierter auf das neue Schema ein.

Typ Mini-Quartierslösung

Das neue Schema: In dem werden zwei bereits bestellte Wärmepumpen die „XRGI“-Maschine ergänzen. Deshalb, weil sich der Wärmebedarf erhöht, da der Bauherr als zweite Stufe eine Mini-Quartierslösung mit dem Haus gegenüber eingeplant hatte – mit Betonung auf „dem Haus gegenüber“, auf der anderen Straßenseite. Die Erklärung dazu folgt. Zunächst: Vom Prinzip her könnte solch ein Verbund eine Standardlösung von gleich morgen sein, gleichermaßen ökonomisch wie ökologisch für Neubau als auch für Sanierungen: Ein Strom- und Wärmeerzeuger in dem einen und im anderen Haus eine Photovoltaik-Anlage auf dem Dach und ein Stromspeicher im Keller. Ökologisch: Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) akzeptiert Kraft-Wärme-Kopplung als regenerativ, wenn das BHKW mindestens 50 Prozent des Jahreswärmebedarfs liefert (§ 43 GEG).

Zugegeben, ein Strom- und Nahwärmeverbund dieser Art, der weitgehend auf selbsterzeugte Energiemedien aufbaut, klingt teuer und kompliziert, ist aber tatsächlich dank Fördergeldern sowohl bezahlbar als auch langzeit-kalkulierbar. Dies bestätigt eine parallel zu den Planungen laufende wissenschaftliche Studie „Wärmepumpen-Quartier im Bestandsbau“ für die Stadt Stade, die die Stadtwerke und die FH Westküste erarbeitetet hatten. Kalkulierbar lässt sich von den aktuellen „öffentlichen“ Energiekosten nicht sagen. Was die vermeintliche Kompliziertheit angeht: einerseits mit Standardschemata erlernbar und andererseits sieht nun mal die moderne Sanierung des Wohnungsbestands so oder so ähnlich aus. Alter Kessel raus, neuer Kessel rein ist passé.

Stadtwerke sperren sich

Allerdings bedarf der Verbund mit dem Nachbarn auf der anderen Straßenseite im Zug der Baugenehmigung der Zustimmung des Konzessionsinhabers, zumindest was den elektrischen Strom angeht. In Stade sagten die Stadtwerke als Konzessionsinhaber leider Nein. Die Stadt hätte die Untertunnelung der Fahrbahn zugelassen, sodass sich beide Einfamilienhäuser die Wärme hätten teilen können, doch sperrte sich der Versorger gegen die gegenseitige Stromlieferung. Gegenseitig heißt: im Winter Strom aus dem BHKW des einen, im Sommer Strom aus der bestehenden PV-Anlage auf dem Dach des anderen Partners. Ausschließlich die Straße für ein Nahwärmenetz mit einer maximalen Leistung von letztlich wenigen kW zu unterbrücken, lohnte demgegenüber den Aufwand nicht.

Erste Erkenntnis aus Stade: Eine nachhaltige Wärmewende setzt die Zustimmung des Versorgers voraus.

Der Ärger währte aber nicht lange. Mehr der Zufall bescherte eine abgeschwächte, aber ebenfalls attraktive Alternative. Beim Nachbarn auf derselben Straßenseite ging die betagte Erdgastherme defekt. Was tun? Da Öl und Gas nicht mehr dem Zeitgeist entsprachen, tauschte sich der Eigentümer mit Felix Kruse aus. Beide rechneten den Nahwärmeverbund aus. Da in diesem Fall keine Straße teuer untertunnelt werden musste, sprach die Kalkulation für den Anschluss an das „XRGI 6“ des Hochschuldozenten. Zudem förderte das BAFA die Ankoppelung an einen solchen Wärmeverbund bis August 2022 noch mit 35 Prozent. Nach der Bewilligung der Bezuschussung begannen in Eigenleistung die Erdarbeiten: Am Wochenende und nach Feierabend mit der Schaufel, Meter für Meter. Insgesamt waren 24 m Leitung zu verlegen.

Hohe Vorlauf-, niedrige Rücklauftemperaturen

Die staatliche Unterstützung zur Errichtung von Wärmenetzen setzt voraus, dass mindestens 75 Prozent der erzeugten Wärme aus der KWK oder erneuerbaren Energien stammen. Die Kombination BHKW plus Wärmepumpe übererfüllt die Auflage. Generell lässt der Gesetzgeber dem Erbauer ab Inbetriebnahme 36 Monate Zeit, um diese Bedingung zu erfüllen. Unabhängig von der Größe des Wärmenetzes muss ein Wirtschaftsprüfer die Ordnungsmäßigkeit bestätigen (die Kosten für den Wirtschaftsprüfer zählen jedoch nicht zu den förderfähigen Ausgaben).

Der Nahwärmeverbund läuft seit 1. Juni 2022, „bislang ohne Probleme und zur beiderseitigen Zufriedenheit“, wie Felix Kruse sagt. In den ersten Monaten fehlte allerdings noch wegen Lieferschwierigkeiten die Heizungswärmepumpe. „Trotzdem, die gesamten Fixkosten eines üblichen Spitzenlastkessels als zweite Heizung wie Grundgebühr für Gas, jährliche Regelwartung, Schornsteinfegergebühren usw. entfallen. Das spart schon mehrere hundert Euro im Jahr“, rechnet der Investor vor. Zudem läuft das BHKW durch den Anschluss des zweiten Hauses deutlich länger und mit höherer Leistung, was die Erzeugungskosten pro Kilowattstunde Wärme senkt.

Die Temperatur im Nahwärmenetz variiert, um die Wärmeverluste zu verringern. „Basis ist eine Außentemperatur geführte Regelung. Die Temperatur in der Nahwärmeleitung ist dann gerade so hoch, dass der Heizkörper-Heizkreis im Nachbarhaus gut versorgt wird. Da die dortigen Radiatoren großzügig dimensioniert und hydraulisch auch abgeglichen sind, bedarf ihr Kreis nur wenig mehr Vorlauftemperatur als die Fußbodenheizung im Verbund. Rechnerisch genügen 42 °C bei -10 °C Außentemperatur“, so der Bauherr. „In der Übergangszeit fahren wir mit etwa 30 bis 35 °C. Nur wenn der 200-l-Pufferspeicher der Frischwasserstation im Nachbarhaus beladen wird, geht die Nahwärmetemperatur für die Dauer des Beladevorgangs auf kurzzeitig 65 °C hoch“. Eine Brauchwarmwasser-Vorrangschaltung nimmt in diesen Phasen die Heizkreise des Verbundpartners vom Netz.

Nur ein Einspeisepunkt

Bei den Bauarbeiten kamen auch gleich Leerrohre für den Stromverbund in den Graben beziehungsweise das verwendete flexible und vorgedämmte Rohrsystem für die Nahwärmeversorgung „Ecoflex Quattro“ von Uponor enthält entsprechende Kanäle. In denen liegen eine 5 x 16 mm² sowie eine 7 x 2,5 mm² Stromleitung. Zudem noch zwei Cat7-Netzwerkkabel für eine LAN-Verbindung. Aus Sicherheits- und auch aus Abrechnungsgründen darf es indes bei einem Stromverbund nur einen Bezugs- bzw. Einspeisepunkt in die öffentliche Verkabelung geben. Das zweite Haus musste mithin vom Netz. Die lokalen Stadtwerke gaben sich mit dem Herausschrauben der Sicherungen aus dem Hausanschlusskasten zufrieden, anstatt die Leitung vor dem Haus physisch zu kappen.

Was änderte sich in Stade noch gegenüber dem ursprünglichen Masterplan? Der organisierte Sammelbezug von Erdgas mit weiteren Abnehmern, in Teil 1 beschrieben, hat der momentanen Krise nicht standgehalten. Durch den Indexgasvertrag, der den Einkaufspreis der Stadtwerke unmittelbar weitergibt, bekamen die Sammelabnehmer die volle Wucht der Gaspreissteigerung zu spüren. Der hatte sich innerhalb eines Jahres verzehnfacht. Felix Kruse wechselte deshalb kurzentschlossen auf das preiswertere Flüssiggas – LPG (Liquefied Petroleum Gas).

Inklusive Bio-LPG

Der 6.400-l-Propangastank war innerhalb von zwei Wochen wieder in Eigenarbeit und mit nachbarschaftlicher Hilfe im Garten vergraben. Ein Fachunternehmen schloss ihn an das BHKW an. Dazu bedurfte es im Haus zusätzlich zur vorhandenen Erdgas-Leitung noch einer zweiten Gasleitung, da sich die Flüssiggas- und die DVGW-Erdgasregeln unterscheiden. Zudem bleibt bei einem Tausch des Gases die Strecke zum BHKW, in der sich Mischgas befindet, sehr kurz. Das ist bei der Umstellung von Erd- auf Flüssiggas relevant. Der eventuelle Wechsel ist in der Anlagensteuerung und der Gasstrecke des „XRGI“ schon vorbereitet.

„Wir haben den Tank mit 30 Prozent Bio-LPG-Anteil befüllt und wollen in den kommenden Jahren auf 100 Prozent erhöhen. Mit dem Bio-Flüssiggas habe ich schon länger geliebäugelt, nur hat sich das wirtschaftlich bislang nicht gerechnet“, geht Kruse auf diesen Punkt ein. Die Lage am Gasmarkt habe sich aber nun geändert, durch den höheren Anteil von LNG (flüssigem Erdgas) in der deutschen Gasversorgung verharre der Gaspreis wohl längerfristig auf einem hohen Niveau. Doch schon die 30 Prozent Bioanteile gehen mit 45 Prozent Minderung überproportional in die CO₂-Einsparung ein, wie die Rechnung in Teil 1 des Beitrags zeigte.

Kruse organisierte wie ehedem für das Erdgas auch für das Flüssiggas wieder einen Sammelbezug. Diesmal mit einem anderen BHKW-Betreiber. Der ausgehandelte Preis beträgt beinahe nur die Hälfte im Vergleich mit dem aktuellen Erdgaspreis. Der Gasverbrauch bewegt sich durch den Energieverbund in den kalten Monaten für beide Häuser zusammen bei etwa 20.000 kWh pro Monat. Somit wird sich die Amortisation der Baumaßnahmen und niedrigen Leasinggebühren für den Behälter aufgrund der beachtlichen Preisdifferenz zwischen Erd- und Flüssiggas schon innerhalb von zwei bis drei Monaten einstellen. „Die Vertragslaufzeit bis 31.12.2023 gibt uns vor allem Sicherheit in der Kostenkalkulation, das Gas im Tank zudem ein sehr beruhigendes Gefühl der Versorgungssicherheit“.

„Sozialer“ Stromspeicher

Noch nachhaltiger hebt ein integrierter Stromspeicher das Schema an. In Stade sollte er aber weder auf Blei noch auf Lithium-Ionen aufbauen, nicht aus Konfliktmaterial wie Seltene Erden, Kobalt und Mangan bestehen, das zum Teil aus Kinderarbeit im Kongo, in Gabun und Südafrika stammt. Auch sollte es kein „China-Fabrikat“ sein, sondern „Made in Germany“. Der Sanierer entschied sich für eine Redox-Flow-Batterie, kurz „RFB“, des Herstellers Volterion aus Dortmund. Dessen Spezies basiert auf einer Vanadium-Flüssigkeit und läuft deshalb auch unter der Bezeichnung „VRF“-Batteriespeicher – „VRF“ für Vanadium-Redox-Flow. Das als Speichermedium fungierende Vanadium wird als Nebenprodukt bei der Eisenproduktion gewonnen.

Eine Redox-Flow-Batterie sollte es sowohl wegen der sozialen Komponente sein, aber auch, weil deren Lebensdauer an keine Zyklenzahl (Be- und Entladung) gebunden ist. Im Unterschied dazu mögen es Blei- und Lithium-Ionen-Akkus gar nicht, wenn man sie im schnellen Rhythmus ansteuert. Das Spektrum reicht bei den klassischen Ausführungen, je nach Ladehub und akzeptiertem Kapazitätsverlust, von 500 bis 5.000 Be- und Entladungen bis zum Nutzungsende. Der „VRF“-Typ leidet in diesem Punkt unter keiner Alterung. Nur ist er noch relativ teuer.

Wärmemanagement erforderlich

Der Einbau des recht voluminösen Stromspeichers gestaltete sich allerdings im Fall Kruse kompliziert. Der Besteller: „Ohne die Flüssigkeit im Bauch war er sehr kopflastig und drohte schon auf den ersten Metern per Hubwagen durch den Garten in den Keller zu kippen. Als Plan B hatte ich vorsorglich schon ein Kranunternehmen angefragt, das dann auch kurzfristig einsprang.“

Die Redox-Anlage läuft seit Mitte August 2022. Sie tut, was sie soll, sie speichert ein und speichert aus. Und das mit einem Wirkungsgrad um die 90 Prozent. Allerdings muss davon noch der Eigenverbrauch für die Steuerung und für die Pumpen abgezogen werden. Üblicherweise liegen Redox-Flow-Systeme bei etwa 80 Prozent Wirkungsgrad.

Eine Besonderheit ist jedoch zu beachten: „Wichtig ist der Wärmehaushalt. Beim Beladen ist die Reaktion endotherm, die Flüssigkeit wird also kälter. Beim Entladen ist sie exotherm, sie erwärmt sich. Leider kühlt der Elektrolyt beim Beladen weniger ab, als er sich beim Entladen aufheizt. Gerade bei hoher und andauernder Last, zum Beispiel beim Laden des E-Autos, heizt sich die Flüssigkeit schnell auf. Dafür ist aber im Speicher eine Kühlschleife verbaut. Über eine Kühlflüssigkeit kann die Wärme dann auf einem Temperaturniveau von etwa 25 bis 32 °C abgeführt und sinnvoll im Haus genutzt werden. Ich beheize aktuell mit Standardkomponenten aus dem Lüftungsbau mit der Abwärme den Kellerflur, sonst würde es im Raum des Stromspeichers zu warm“, beschreibt Felix Kruse seine Lösung.

Aufstockung mit Wärmepumpe

Das soll aber nicht so bleiben, „zumal der Kühler samt Lüfter im Kellerflur alles andere als ansehnlich ist“. Kruses Idee: Der Kühler kommt in den Raum, in dem der Stromspeicher steht. Dessen Abwärme sowie die der drei Wechselrichter von Victron Energy und die Wärmeverluste der Pufferspeicher im benachbarten BHKW-Raum dienen künftig einer Brauchwasser-Wärmepumpe als Energiequelle. Die hat Kruse schon geordert, eine „DHW 300+“ des Herstellers Glen Dimplex Deutschland. Den Kontakt zu Dimplex hatte die Karl Meyer Energiesysteme GmbH aus Wischhafen vermittelt, die für die gesamte „XRGI“-Installation zuständig ist. Das Unternehmen bedient mit den Maschinen des Herstellers EC Power einen Großteil des norddeutschen Raums.

Aus dem Hause Glen Dimplex wird auch die angesprochene Heizungswärmepumpe sein. Denn die maximal 13 kWth des Blockheizkraftwerks sind für zwei Einfamilienhäuser zu wenig, sie reichen nur für ein Haus bei -10 °C Außentemperatur. Für winterliche Spitzenheizzeiten musste also eine Ergänzung her: Felix Kruse wählte eine reversible (Kühlung) Luft/Sole-Wärmepumpe zur Außenaufstellung (Dimplex „LA 18S-TUR“) von 18 kW mit zwei Verdichtern und Leistungsmodulation. Die reicht für den Fall eines Ausfalls des BHKWs bis zu einer Außentemperatur von -2 °C aus, um beide Häuser mit Wärme zu versorgen. Die Wärmepumpe soll aber nicht nur als Backup und als Ergänzung für die kalte Jahreszeit dienen. Vielmehr ist im Sinne des Klimaschutzes ein kombinierter Wärmepumpen-BHKW-Betrieb geplant. Auch, um die erwähnten Förderungsanforderungen an Nahwärmenetze zu erfüllen.

Ziel ist, mit dem „XRGI“ in Kombination mit dem Stromspeicher stets den nötigen Strombedarf der Wärmepumpen und der Häuser zu erzeugen. Ergänzt durch eine Photovoltaik-Anlage. Mit günstigem PV- und BHKW-Strom betrieben, liegt der Wärmepreis der Wärmepumpe pro 1 kWh thermisch COP-bedingt natürlich deutlich unter dem Wärmepreis des BHKWs. Allerdings würde bei einem hohen Erzeugungsanteil der Wärmepumpe das BHKW zu wenig laufen. Es könnte die Elektrizität bereitstellen, wüsste aber nicht wohin mit der Wärme. Die Anlage müsste Strom extern beziehen, was die Wärmepumpen-Wärme wieder verteuert. Umgekehrt führt ein hoher BHKW-Wärme-Anteil zu höheren Wärmekosten pro 1 kWh. Das preisgünstigste Ausbalancieren setzt einige Rechenarbeit voraus und genügend Daten.

Optimale Arbeitsteilung

Sie, die Daten, hat Felix Kruse in den letzten Jahren gemessen und gesammelt und in umfangreichen Variationsrechnungen eingesetzt. Das Diagramm zeigt grafisch das Ergebnis. Demnach ergibt sich bei einem Wärmepumpen-Anteil von 45 Prozent ein Kostenminimum. Das BHKW läuft dann etwa 3.000 Vollbetriebsstunden im Jahr, was in etwa dem Förderzeitraum nach KWKG entspricht. Wie das Konzept hinsichtlich der Steuerung realisiert werden kann, hat der ausgebildete Maschinenbauingenieur mit dem Hersteller Dimplex bei einem Besuch in Kulmbach besprochen. „Das war sehr hilfreich. Der zuständige Servicemitarbeiter der Firma, Matthias Böttcher, brachte hinsichtlich der hydraulischen Konzeption langjähriges Wissen im Wärmepumpenbetrieb in das Projekt ein. Knackpunkt war die Rücklauftemperatur im Gesamtsystem. Hierfür war es gut, dass der Wärmeverbund ein paar Monate vor dem Wärmepumpeneinbau startete. So konnte ich anhand von Langzeitmessungen nachweisen, dass die Rücklauftemperatur zu den Wärmeerzeugern trotz der hohen System-Vorlauftemperatur des BHKWs von etwa 80 °C sich stets weit entfernt von den kritischen Grenzen bewegt.“

Und dies selbst im Sommer bei fast ausschließlicher Wärmeabnahme durch die Warmwasserbereitung. „Eine Erkenntnis ist die, dass sich im Heizungsbetrieb nur mit dem BHKW bei einem sauberen hydraulischen Abgleich aller Heizkreise mit niedrigen Vorlauftemperaturen im Gefolge für eine Wärmepumpe adäquate Rücklauftemperaturen von etwa 28 bis 32 °C einstellen.“

Fortsetzung folgt

Wenn für alle Komponenten Betriebserfahrungen vorliegen, soll in einem weiteren Beitrag im Heizungs-Journal auf das Schaltungsschema, auf die Gesamtkosten und auf die Leistungsfähigkeit solch einer Mini-Quartierslösung zusammenfassend eingegangen werden.