Wärmepumpe + PV: Wie der eigene Solarstrom wirklich genutzt werden kann
Sonnenhaus-Institut: Innerhalb von zehn Jahren hat sich die Kombination von Photovoltaik und Wärmepumpe zu einem äußerst beliebten Heizsystem entwickelt. Heizen mit Strom wurde wieder populär, weil überschüssiger Solar- und Windstrom sinnvoll verwendet werden sollte. Als umweltfreundliches Heizsystem beworben, gehen Hausbesitzer davon aus, dass sie dann mit Solarstrom heizen. Hält die Lösung, was sie verspricht?
Rainer Körner: In den meisten Fällen nicht, aber der Reihe nach. Wärmepumpen sind in den vergangenen Jahren leistungsfähiger geworden. Außerdem lassen sich mit ihnen relativ leicht die Vorgaben der Energieeinsparverordnung (EneV) und kostengünstig die KfW-Förderrichtlinien erfüllen. Dies hat dazu geführt, dass Wärmepumpen immer beliebter wurden und in vielen Gebäuden zum Einsatz kommen. Auch die Solarstrom-Module sind in den vergangenen Jahren leistungsfähiger geworden und die Preise sind gefallen.
Interessant wurde die Kombination von Photovoltaik-Anlage und Wärmepumpe aber erst seit 2012. Denn vorher war die Einspeisevergütung für Solarstrom noch so hoch, dass es nicht wirtschaftlich war, den eigenen Strom selbst zu verbrauchen.
Da in den Haushalten die meiste Energie für Heizung und Warmwasser verbraucht wird, liegt es nahe, eine Wärmepumpe in Verbindung mit der eigenen Solarstromanlage zu nutzen. Es ist eine gute Möglichkeit, seinen Eigenverbrauch an Solarstrom zu erhöhen und dadurch seine Nebenkosten zu senken.
Allerdings ist es leider nicht so einfach, wie es scheint, und das liegt in der Natur der Sache. Denn wenn die Sonne scheint, verbraucht ein gut gedämmtes Haus wenig bis gar keine Energie. Durch große, nach Süden ausgerichtete Fensterflächen, wie sie heute meistens eingebaut werden, erwärmen sich Wohnräume sogar. Die Wärmepumpe wird dann natürlich nicht benötigt – außer für ein bisschen Warmwasserbereitung -, obwohl eigener Strom vom Dach ausreichend zur Verfügung stehen würde.
Die Wärmepumpe muss erst dann wieder Wärme produzieren, wenn die Sonne untergeht und es draußen kälter wird. Dann muss sie aber mit Kraftwerksstrom betrieben werden, was sich weder ökologisch noch wirtschaftlich sinnvoll darstellt, denn für den eigenen Sonnenstrom erhält man eine Einspeisevergütung von ca. 12 Cent - abzüglich der Versteuerung - und für den gekauften Kraftwerksstrom muss man ca. 27 Cent bezahlen.
Ein weiterer Punkt ist, dass immer noch wenige Wärmepumpen-Systeme am Markt sind, die eine tatsächlich solarstromgeregelte Funktion sowie eine effiziente Wärmeverteilung und Wärmespeicherung möglich machen. Dies ist jedoch wichtig, da nur so eine weitgehendste Unabhängigkeit von Energieversorgern und dauerhaft niedrigen Wohnnebenkosten gesichert werden kann.
Können Speicher eine Lösung sein, damit mehr Solarstrom verbraucht wird?
Hier ist zwischen Wärme- und Stromspeicher zu unterscheiden. Stromspeicher sind für den Haushaltsstrom interessant, aber nicht für eine Wärmenutzung. Ein Wärmespeicher, zum Beispiel ein mit Wasser gefüllter Stahltank, ist hier wesentlich günstiger, hat unendlich viele Lade- und Entladezyklen und ist daher alternativlos. Die üblichen Stromspeichergrößen von 6 bis 10 kWh reichen im Winter gerade mal, um den Haushaltsstrom vom Abend bis über die Nacht zu decken. An die Verwendung für eine Wärmepumpe ist somit nicht zu denken, wenn man bedenkt, dass eine Wärmepumpe bei einer Anforderung alleine schon ca. 2 kW Strom pro Stunde benötigen würde.
Bei den marktüblichen Wärmespeichern für PV-Wärmepumpen-Systeme sind die Speicher allerdings bei Standard-Anlagen oft zu klein dimensioniert, zum Beispiel mit einem 100 Liter Pufferspeicher. Hier sind Speichergrößen von 1.000 – 2.900 Liter für ein Einfamilienhaus zu empfehlen. Diese lassen sich platzsparend in den meisten, auch nicht unterkellerten Häusern realisieren. Übrigens sind auch die Wärmespeicher bei thermischen Sonnenhäusern heute aufgrund der geringeren Energieverbräuche wesentlich kleiner dimensioniert. Bei einem Einfamilienhaus reichen oftmals schon 4 500 Liter in eingeschossiger Aufstellung für eine 50-prozentige solare Deckung des Wärmebedarfs aus.
Auch Sonnenhäuser werden heute schon mit Photovoltaik-Anlage und Wärmepumpe gebaut. Was ist das Besondere daran?
Die beiden Technikteile Wärmepumpe und Photovoltaikanlage haben in den vergangenen Jahren eine starke Effizienzverbesserung verbuchen können. Das macht es interessant, diese Komponenten zu kombinieren. Wir vom Sonnenhaus-Institut haben schon vor über fünf Jahren praxistaugliche PV-Wärmepumpen-Systeme mit hohen solaren Deckungsanteilen, also über 50 %, entwickelt und eingebaut.
Die Erfahrungen von mehreren Wintern sind somit schon da. Das Erfreuliche daran ist, dass die Erfahrungen allesamt positiv sind. Hier hat sich natürlich die jahrzehntelange Erfahrung mit einer effizienten Wärmeverteilung und der Wärmespeicherung der thermischen Sonnenhäuser positiv ausgewirkt. Wobei anzumerken ist, dass die Wärmespeicher in einem PV-Sonnenhaus wesentlich kleiner ausfallen können als beim Einsatz in einem thermischen Sonnenhaus.
Von einer Sonnenhausheizung spricht man, wenn mindestens 50 % der Energie für Heizung und Warmwasser solar erzeugt werden. Das ist schon eine ganz sportliche Zahl, da im Winter die Sonne tief steht, es weniger Sonnenstunden gibt und so in diesen Monaten weniger Sonnenenergie eingefangen werden kann. Hervorzuheben ist auch, dass das Sonnenhaus als einziges Hausbausystem für den Nutzer von Anfang an die späteren Verbrauchskosten offenlegt. Durch eine Simulation, in die örtliche Wetterdaten mit einfließen, wird errechnet, wie hoch der solare Deckungsgrad ist und wie viel Kilowatt Energie dann eventuell noch zugeheizt werden muss.
Wie sieht die technische Lösung dafür aus? Und welche Rolle spielt der Wärmespeicher darin?
Herkömmliche Wärmepumpensysteme werden nach dem Heizenergiebedarf ausgelegt und haben so gar nicht die Möglichkeit, überschüssige Energie in Wärme umzuwandeln. Die Wärmepumpen bei unseren Wärmepumpen-Sonnenhaus-Systemen werden daher größer dimensioniert.
Und ganz wichtig: Sie werden solarstromgeregelt eingesetzt und können daher, ähnlich wie ein thermischer Solarkollektor, fast ausschließlich mit eigener Solarenergie betrieben werden.
Des Weiteren muss ein Energie-Management-System eingesetzt werden, mit dem die Energieströme für Haushaltsstrom, Heizenergie und Elektromobilität gesteuert, geregelt und verteilt werden können.
Ein weiteres Augenmerk ist das Wärmeverteilsystem, das die Heizenergie im Haus effizient auf die Heizkreise verteilt und überschüssige Energie optimiert in den Speicher schichtet. Da eine Wärmepumpe nur einen geringen Temperaturhub hat, muss viel Heizungswasser mit einer hohen Durchflussgeschwindigkeit gepumpt werden, was eine schichtenweise Speicherung nicht einfach macht. Hierfür sind spezielle Wärmespeicher und ein effizientes Verteilsystem notwendig.
Da es auf dem Markt keine passende Lösung dafür gab, haben Mitglieder des Sonnenhaus-Instituts selbst eine übergeordnete Regelung für die Energieerzeugung, -verteilung und –speicherung entwickelt. Sie vereint alle oben beschriebenen Eigenschaften in einem Produkt. Dieser „Creativ-Manager“ kommt schon seit mehreren Jahren in Sonnenhäusern mit Photovoltaik und Wärmepumpe zum Einsatz.
Wegen der großen Nachfrage nach der Kombination von Photovoltaik und Wärmepumpe hat das Sonnenhaus-Institut 2014 neue Sonnenhaus-Kategorien hierfür geschaffen. Die Haustypen heißen „Sonnenhaus Plus“ und „Sonnenhaus Autark“. Was zeichnet diese Häuser aus?
Sie dienen der ganzheitlichen Betrachtung der Energieflüsse im Haus, also nicht nur für Heizung und Warmwasser, sondern auch für den Haushaltsstrom. Beim „Sonnenhaus Autark“ beispielsweise wird der Schwerpunkt auf eine weitgehend netzunabhängige solare Eigenstromversorgung gelegt mit dem Ziel, einen möglichst hohen Autarkiegrad von 50 % oder mehr zu erreichen. Zu den einzelnen Sonnenhaus-Kategorien kann man sich auf unserer Homepage unter www.sonnenhaus-institut.de weiter informieren.
Elektroautos werden ebenfalls immer populärer. Welche Rolle können sie im Sonnenhaus übernehmen?
Zum einen kann ein Teil der Energie für die Elektromobilität mit PV-Modulen erzeugt werden, wodurch der Eigenverbrauchsanteil des auf dem Dach erzeugten Sonnenstroms erhöht wird. Zu welchen Anteilen das bei Häusern mit einem derzeit schon hohen solaren Deckungsgrad für Heizung, Warmwasser und Haushaltsstrom möglich ist, hängt natürlich davon ab, ob das Auto unter Tag zu Hause geladen wird oder abends fast voll oder gegebenenfalls leer nach Hause kommt.
Was zukünftig interessant sein wird, ist: Wie können sich Akkus aus Elektrofahrzeugen auf das Haus auswirken? E-Mobile verfügen über große Akkus. Wenn diese über Tags geladen sind – zum Beispiel durch PV-Anlagen oder Lastmanagement des Energieversorgers, der überschüssigen Strom einspeist - und abends fast voll geladen nach Hause kommen, könnte der Akku zur Hausversorgung mit herangezogen werden – sofern die Akkus eine externe Entladung zulassen. In diesem Bereich werden wir in den nächsten Jahren noch Forschungsbedarf haben, um auch die Elektromobilität effizient in die vorhandenen Energiesysteme mit einzubinden und Zusatznutzen zu generieren.
Es gibt immer noch Bauherren, die lieber mit Solarthermie bauen wollen. Würden Sie ihnen raten, lieber mit Photovoltaik zu bauen oder wenigstens ein paar Solarstrommodule mit auf dem Dach zu installieren?
Ich rate, alle für eine Solarnutzung zur Verfügung stehenden Flächen zu nutzen. Wenn somit beim thermischen Sonnenhaus noch freie Flächen zur Verfügung stehen, sollten diese für Solarstrommodule genutzt werden.
Bei der Auslegung einer Sonnenheizung muss zuerst geprüft werden, welche Flächen zum Beispiel auf dem Dach oder an der Fassade unter Berücksichtigung der Himmelsrichtung und Neigung für eine Solarnutzung zur Verfügung stehen und wie viele Kilowattstunden man zu welchem Zeitpunkt „ernten“ kann. Dagegen stehen die Verbräuche für Heizung, Warmwasser, Haushaltsstrom und gegebenenfalls Elektromobilität. Danach versucht man, die Nachfrage so gut wie möglich mit den Erträgen zu decken.
Das Schöne an der Auslegung einer Sonnenhaus-Heizung ist, dass die jeweiligen Möglichkeiten der solaren Energieerzeugung - Photovoltaik oder Solarthermie - und der gegebenenfalls gewünschten Zusatzheizung - Holz, Gas oder Wärmepumpe - mit den persönlichen Vorstellungen der Nutzer individuell abgestimmt und kombiniert werden können.
