Zentrale Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe können als riesige Wasserbatterien fungieren, wie ein Pilotprojekt in Seattle zeigt

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Zentrale Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe (KWK) bieten eine enorme Möglichkeit, den erheblichen Energieverbrauch bei der Warmwasserbereitung zu reduzieren, und können als riesige Wärmebatterien fungieren. Dies erreichen sie, indem sie in Zeiten geringer Netznachfrage Energie zum Erhitzen von Wasser nutzen und diese für die spätere Nutzung speichern. Dadurch können sie ihren Energieverbrauch in Spitzenzeiten des Stromnetzes begrenzen. Führende Organisationen der Commercial Working Group der Advanced Water Heating Initiative (AWHI) zeigen die Auswirkungen auf die Netzanlagen im ersten Bayview Tower-Pilotprojekt dieser Art in Seattle.

Der Bayview Tower ist eine Sozialwohnungseinrichtung für Senioren mit niedrigem Einkommen in der Innenstadt von Seattle. Warmwasser für die Bewohner von Bayview wurde von einem ineffizienten elektrischen Widerstandswarmwasserbereiter bereitgestellt, der viel Strom zum Erhitzen des Wassers verbrauchte. Im Jahr 2019 kam ein Traumteam aus Organisationen, darunter Ecotope, Seattle Housing Authority, Bonneville Power Administration, Steffes, SkyCentrics, Mitsubishi und Seattle City Light, zusammen, um das Gebäude mit einem zentralen Wärmepumpen-Warmwasserbereiter (CHPWH) nachzurüsten, der das Potenzial hatte um den Energieverbrauch für die Warmwasserbereitung, der etwa 25–35 % des durchschnittlichen Energieverbrauchs eines Mehrfamilienhauses ausmacht, um den Faktor drei zu reduzieren.

Zentrale Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe unterscheiden sich von ihren Pendants für Privathaushalte in einigen Punkten, die Sie wahrscheinlich erwarten würden. Anstatt in jedem Haus und jeder Wohnung einen eigenen Warmwasserbereiter zu haben, sind zentrale Systeme viel größer und versorgen viele Haushalte gleichzeitig mit Warmwasser. Im Fall von Bayview versorgt ein System 100 Wohnungen. Landesweit wurden bisher Hunderte von KWK-Anlagen installiert, die Einführung dieser Technologie steht jedoch noch am Anfang.

Der in Bayview installierte zentrale Warmwasserbereiter mit Wärmepumpe hat viele neue Wege beschritten und beweist viele wichtige Konzepte, die als Leitfaden für die Wassererwärmung in den kommenden entscheidenden Jahrzehnten für die Dekarbonisierung dienen könnten. Zunächst einmal war das BHKW für Bayview ein verpacktes, auf einem Rahmen montiertes System (das heißt, es ist dauerhaft auf einer Metallpalette montiert) mit vielen Komponenten, die außerhalb des Standorts hergestellt und dann per Kran mehr oder weniger anschlussfertig zum Gebäude geliefert wurden Ort. Der „Plug-and-Play“-Charakter dieses Warmwasserbereiters bedeutete, dass die Bewohner des Bayview Tower nur ein paar Stunden Warmwasserausfall hatten, während ein völlig neues Warmwasserbereitungssystem installiert wurde. Der Warmwasserbereiter wurde im Sommer 2021 installiert und das System ist nun seit anderthalb Jahren in Betrieb. Es deckt den Warmwasserbedarf der Bewohner und spart gleichzeitig geschätzte 135.000 Kilowattstunden (kWh) pro Jahr ein sowie eine deutliche Reduzierung der CO2-Emissionen und Stromrechnungen .

Auf einem Rahmen montiertes zentrales Wasserheizsystem. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ecotope.

Nachdem das KWK-System installiert war und seine Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt hatte, ging das Team in die zweite Phase des Projekts über, in der es darum ging, zu beweisen, dass KWK-Anlagen eine erhebliche Lastverlagerungskapazität bieten können. Da Gemeinden, Regionen und Bundesstaaten Gebäude und Transportmittel elektrifizieren und mehr Solar- und Windenergie nutzen, werden die Zeiten, in denen wir Strom nutzen, immer wichtiger. Wenn alle gleichzeitig viel Strom verbrauchen (z. B. während der Spitzenzeiten am Morgen und am Abend), müssen sich die Energieversorger auf Kraftwerke verlassen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, um die zusätzliche Versorgung bereitzustellen, oder im schlimmsten Fall unterbrechen sie einen Teil der Stromversorgung der Haushalte. Weniger Strom zu verbrauchen, Strom in Batterien zu speichern und unseren Energieverbrauch zu verteilen oder zu verlagern, sind wichtige Strategien zur Lösung dieses Problems.

Die Non-Profit-Organisation, für die ich arbeite, das New Buildings Institute, arbeitet seit über drei Jahren im Rahmen der GridOptimal Buildings Initiative an Lösungen im Gebäudemaßstab, um die Dekarbonisierung des Netzes zu ermöglichen, und hat immer wieder festgestellt, dass Warmwasserbereitungssysteme eine Wunderwaffe für die Lastverlagerung und das Netz sind Integration. Da Wasser viel Energie speichern kann, können Sie es wie eine Batterie verwenden – „laden“ Sie das System auf, indem Sie die effiziente Wärmepumpe verwenden, um Wasser in Zeiten geringer Netznachfrage (oder hoher erneuerbarer Produktion) zu erwärmen, und das gespeicherte Wasser dann verwenden Energie in Zeiten hoher Netznachfrage und trotzdem ausreichend Warmwasser. Warmwasserbereiter in Mehrfamilien- und Gewerbegebäuden können eine wichtige Rolle spielen, da sie über mehr Wasserspeicherkapazität verfügen, die in einem System konzentriert ist.

Das Team, das am Bayview-Tower-Projekt arbeitete, verbrachte die letzten Monate damit, einen Ansatz zu testen, um den Warmwasserbereiter in Zeiten geringer Nachfrage heißer als normal vorzuheizen und ihn dann zwischen typischen Spitzenlastzeiten von 6:00 bis 9:00 Uhr abzuschalten PN. Und wie die Tabelle unten zeigt, hat es funktioniert. Die blaue Linie zeigt den Grundwasserverbrauch der Wärmepumpe ohne Lastverschiebung. Die rote Linie zeigt, wie es ihnen gelungen ist, das System in Spitzenlastzeiten abzuschalten (während weiterhin die gesamte erforderliche Warmwasserbereitung gewährleistet ist) und vergleicht dies mit dem Energieverbrauch (grüne Linie) und dem vorherigen elektrischen Widerstand Wasserkocher.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Ecotope

Der Gesamtenergieverbrauch zeigt eine andere Seite dieser Energieeinsparungen. Vor der Installation des BHKW würde das Gebäude in Spitzenlastzeiten typischerweise zwischen 70 und 75 kWh Strom verbrauchen (blaue Balken). Nach der Installation des effizienteren BHKW und dem Start mit typischen Einstellungen konnte dieser Verbrauch um 60 % gesenkt werden (rote Balken). Die Umstellung des Warmwasserbereiters auf das Vorheizen von Wasser außerhalb der Spitzenzeiten in der letzten Phase dieses Pilotprojekts zeigt, dass Gebäude den Energieverbrauch während der Spitzenzeiten im Wesentlichen auf nahezu Null senken können (grüne Balken).

Bild mit freundlicher Genehmigung von Ecotope

Und dies stellt eine enorme Chance auf Systemebene dar. Die Menge an Stromkapazität, die eingespart werden könnte, wenn fast alle Wohngebäude in Kalifornien auf den Betrieb mit Lastverlagerungs-Wärmepumpen-Warmwasserbereitern umgestellt würden, wird auf 2.000 MW geschätzt. In Zeiten der Spitzennachfrage könnte die Reduzierung der Leistung um 2.000 MW einen erheblichen Teil des Spitzenenergieverbrauchs in Kalifornien einsparen (und das ist tatsächlich ungefähr so ​​viel Energie, wie die Kalifornier während der extremen Hitzewelle im letzten Sommer einsparen konnten) – die Zeit wann Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen am wahrscheinlichsten benötigt werden. Die Auswirkungen dieser Verschiebung sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der Bayview Tower zeigt somit, dass zentrale Warmwasserbereiter ein enormes Potenzial haben, als eine Art Batterie zu fungieren, die während normaler Betriebszeiten für eine effizientere Warmwasserbereitung sorgt und die Zeiten, in denen Energie für die Warmwasserbereitung verbraucht wird, völlig verschiebt, sodass der gleiche Komfort und das gleiche Warmwasser gewährleistet sind und sorgt gleichzeitig für ein effizienteres und umweltfreundlicheres Netz.

Dieser Artikel erschien ursprünglich im NBI-Blog.

Bleiben Sie bei AWHI, um fortlaufend über dieses und andere wichtige Projekte aus der Welt der modernen Warmwasserbereitung informiert zu werden. AWHI ist ein von Mitgliedern finanziertes Programm, das vom New Buildings Institute mit Beiträgen und Unterstützung von Freiwilligen, Partnern und teilnehmenden Organisationen verwaltet und verwaltet wird.

Joe lebt in Portland, Oregon, und arbeitet für das gemeinnützige New Buildings Institute, das elektrische und dekarbonisierte Gebäude fördert. Er engagiert sich auch ehrenamtlich bei Electrify Now, weil er davon überzeugt ist, dass die Elektrifizierung von allem, vom Transport bis zu den Häusern, der schnellste Weg zu einer gerechten, sauberen Energiezukunft ist. Und natürlich leben Joe und seine Familie in einem vollelektrischen Haus und fahren ein Elektrofahrzeug.

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