Wirtschaftlich und sozial verträglich: Mehrfamilienhäuser mit PVT-Wärmepumpen-Systemen

Neue Generation von PVT-Kollektoren

Eine Lösung für die Sanierung und Dekarbonisierung des Gebäudebestands können sogenannte PVT-Kollektoren sein. Die Gewinnung von Strom über Photovoltaik (PV) und die (solar-)thermische (T) Wärmegewinnung erfolgen dabei gleichzeitig. Ein PVT-Modul auf dem Dach kann sowohl Strom produzieren als auch Wärme bereit stellen.

Übliche PVT-Kollektoren haben auf der Rückseite des PV-Moduls einen flachen Wärmetauscher, der die vom PV-Modul nicht genutzte Abwärme beispielsweise zur Regeneration einer Erdsonde nutzt. Die Solink-PVT-Luft/Sole-­Kollektoren sind eine neue, speziell für Wärmepumpen entwickelte Generation von PVT-Kollektoren. Der patentierte großflächige Wärmetauscher auf der Kollektorunterseite ergänzt die solarthermische Wärmegewinnung aus der Luft und ermöglicht die Wärmeversorgung einer Wärmepumpe auch in der Nacht, ohne weitere Wärmequelle.

Solink-Kollektoren gewinnen bis zu 10 % mehr elektrische Energie im Vergleich zu herkömmlichen Photovoltaikmodulen und liefern zusätzlich das Zwei- bis Dreifache der Strommenge als Wärmeenergie. Diese Kombination bietet ein sehr stromsparendes System zur Wärme- und Kälteversorgung und eröffnet durch die geräuschlose Funktionsweise viele neue Anwendungsmöglichkeiten im städtischen Raum. Solink-PVT-Wärmepumpenkollektoren auf dem Dach oder an der Fassade können die komplette Heiz- und Warmwasserwärme liefern und ersetzen sowohl Geothermie als auch Luftgebläse-Außeneinheiten.

Zweistufige Gebäudesanierung mit PVT

2021 wurde eine zweistufige Gebäudesanierung mit PVT-Luft/Sole-Kollektoren als alleinige effiziente Wärmequelle einer Wärmepumpe vorgestellt. Hierbei wird das Dilemma der hohen Kosten der zeitgleichen Sanierung von Gebäudehülle und Heizsystem dadurch aufgelöst, dass eine Wärme­pumpe mit PVT-Luft/Sole-Kollektoren das fossile Heizsystem zunächst ergänzt. Die Wärmepumpe muss meist nur 35 bis 50 % der Heizlast abdecken, um insgesamt mehr als 65 % der Heizenergie zu liefern. Die Dachfläche eines Mehrfamilienhauses ist meist ausreichend und kann ggf. mit Fassadenflächen ergänzt werden, um die Wärmepumpe nur mit PVT-Luft/Sole-Kollektoren ohne Erdarbeiten zu versorgen. Der von der PVT-Fläche produzierte Strom entspricht bei üblicher Dimensionierung ungefähr der im Jahr von der Wärmepumpe verbrauchten elektrischen Energie.

Im ersten Schritt können mit überschaubaren Investitionen die CO2-Emissionen des Gebäudes deutlich reduziert werden. In einem zweiten, späteren Schritt kann die Gebäudehülle auf ein Niveau saniert werden, bei dem der fossil beheizte Kessel ganz entfällt. Durch die Dämmung des Gebäudes sinken die erforderlichen Vorlauftemperaturen, was – ggf. mit punktuellen Maßnahmen beim Heizungsverteilsystem – den effizienten monovalenten Betrieb der Wärmepumpe ermöglicht. Die zweite Maßnahme kann zu einem hinsichtlich der Finanzierung der Baumaßnahmen günstigeren Moment erfolgen. Es ist davon auszugehen, dass in den kommenden Jahren zunehmend Angebote auch zur seriellen Sanierung von Gebäuden auf den Markt kommen werden.

Untersuchung eines konkreten Sanierungsfalls

Zur Überprüfung des Konzepts unter den aktuellen Randbedingungen wurde der konkrete Sanierungsfall eines Mehrfamilienhauses aus dem Bestand der städtischen Wohnbaugesellschaft der Stadt Darmstadt, der Bauverein AG, durchgerechnet. Das Gebäude aus dem Jahr 1935 mit 1276 m2 beheizter Wohnfläche für 24 ­Wohnungen wird aktuell mit zwei Gaskesseln mit jeweils 55 kW beheizt und mit Warmwasser versorgt. Der Jahreswärmebedarf Heizung beträgt 170.000 kWh bei einer Heizkreisvorlauftemperatur von 75 °C, im Ist-Zustand ohne Witterungsführung. Der Jahreswärmebedarf für das Warmwasser beträgt 45.700 kWh. Die Warmwasserbereitung erfolgt über einen zentralen Warmwasserspeicher mit 500 l und Zirkulationsleitung sowie einen Pufferspeicher mit 500 l für die Heizungsversorgung. Für den Jahresnutzungsgrad des Kessels werden 80 % angesetzt. Der Stromverbrauch der 24 ­Haushalte wurde mit insgesamt 60.000 kW/a berücksichtigt.

Zwei Fälle wurden berechnet: dass das Gebäude ohne weitere Maßnahmen weiter mit Gas versorgt wird und dass für den bivalenten Hybridbetrieb eine Wärmepumpe mit PVT-Luft/Sole-Kollektoren installiert wird. Mindestens 30 % der Heizlast werden von der Wärmepumpe abgedeckt. Es erfolgt ein Parallelbetrieb von Kessel und Wärmepumpe mit Vorrang für die Wärmepumpe.

Drei Fälle simuliert

Mithilfe der Schweizer Energiesystemsimulationssoftware Polysun wurden drei Fälle simuliert und die Dimensionierung der Kollektorfläche wurde optimiert:

• Wärmeversorgung wie bisher mit Gaskesseln 2 x 55 kW
• Bestehende Gaskessel plus Sole-Wärmepumpe 34,1 kW (B0/W35) thermisch versorgt durch 34 Solink-PVT-Wärmepumpen­kollektoren à 2,4 m2 Bruttofläche
• Bestehende Gaskessel plus Sole-Wärmepumpe 51,3 kW (B0/W35) thermisch versorgt durch 52 Solink-PVT-Wärmepumpen­kollektoren à 2,4 m2 Bruttofläche

Folgende Ergebnisse konnten beobachtet werden: Aufgrund der vergleichsweise kleinen PVT-Fläche ergibt sich ein großer Eigenverbrauch unter der Voraussetzung, dass der Strom auch als Mieterstrom genutzt wird. Die ausgewiesenen CO2-Einsparungen beziehen sich jedoch lediglich auf den Bereich Wärmeerzeugung; CO2-Vermeidung durch von den Haushalten genutzten oder in das Netz eingespeisten Solarstrom ist nicht berücksichtigt. Die Simulationsergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

(1) Gemäß Simulation führt die Gasvariante aufgrund der Konstanttemperaturregelung zu 12.300 kWh zusätzlichen Wärmeverlusten gegenüber den Hybridvarianten.

(2) Bei der JAZPVT wird nur der vom Netz bezogene Strom berücksichtigt, nicht der von den PVT-Kollektoren an die Wärmepumpe direkt gelieferte.

(3) CO2-Faktor für Strom = 0,435 t CO2/MWh (entspr. Inlandsverbrauch für das Jahr 2021) und für Gas 0,201 t CO2/MWh nach „Informationsblatt CO2-Faktoren“ des Bafa, Stand 15. Februar 2024.

(4) CO2-Faktor für Strom 0,107 t CO2/MWh (entspr. Prognose für 2028) und für Gas 0,201 t CO2/MWh nach „Informationsblatt CO2-Faktoren“ des Bafa, Stand 15. Februar 2024.

Für beide Sanierungsvarianten wurden die Investitionskosten ermittelt. Es wurde davon ausgegangen, dass die Sanierung durch die Wohnbaugesellschaft oder durch einen beauftragten Contractor im Rahmen eines standardisierten Sanierungsprogramms durchgeführt wird, was Voraussetzung für eine gute Wirtschaftlichkeit ist: Das Material (Wärmepumpen, Solink-Kollektoren und Zubehör) wird in interessanten Stückzahlen direkt beim Hersteller bezogen und die Montage durch ein  geschultes  ei  genes Montageteam durchgeführt. Die in  Tabelle 2 aufgelisteten Investitionskosten beziehen sich auf die beiden Sanierungsvarianten bei Direktbezug beim Hersteller und eigenem Montageteam zuzüglich Mehrwertsteuer.

Annahmen für Entwicklung der Energiekosten

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der drei Varianten (Gaskessel als alleinige Energiequelle, WP und Kollektorfeld klein + Gaskessel, WP und Kollektorfeld groß + Gaskessel) ist die zukünftige Entwicklung der Gas- und Stromkosten und deren Verhältnis. Hierfür wurden unterschiedliche Veröffentlichungen evaluiert:

• Prognos (März 2023)

Laut aktualisiertem Gutachten der Prognos AG zur Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpen wird im Mittel ein Gaspreis von 11 Cent brutto ­inklusive CO2-Preis für die kommenden 15 Jahre angenommen und ein Wärmepumpen-Strompreis von 26 Cent brutto (gemäß Simulation führt die Gasvariante aufgrund der Konstanttemperaturregelung zu 12.300 kWh zusätzlichen Wärmeverlusten gegenüber den Hybridvarianten). Hieraus ergibt sich für das Verhältnis von Strom- zu Gaspreis ein Mittelwert von 2,36.

• Mercator Research Institute (April 2023)

Eine Studie des Mercator Research Institute geht dagegen von der Möglichkeit eines massiven Anstiegs der CO2-Bepreisung ab 2027 durch die Umstellung auf europaweiten Emissionshandel aus (bei der JAZPVT wird nur der vom Netz bezogene Strom berücksichtigt, nicht der von den PVT-Kollektoren an die Wärmepumpe direkt gelieferte). Ab diesem Jahr wird nicht mehr der CO2-Preis von der Bundesregierung festgelegt, sondern es wird der neue EU-ETS 2 eingeführt (CO2-Faktor für Strom = 0,435 t CO2/MWh entsprechend dem Inlandsverbrauch für das Jahr 2021 und für Gas 0,201 t CO2/MWh nach „Informationsblatt CO2-Faktoren“ des Bafa, Stand 15. Februar 2024). Dieser ist getrennt vom bestehenden EU-ETS 1 und gilt für Emissionen im Straßenverkehr, in Gebäuden und Industrie- und Energieanlagen, die aufgrund ihrer Größe nicht unter den EU-ETS 1 fallen. Gemäß dieser Studie könnte der Gaspreis 2027 auf circa 13 Cent und 2038 auf circa 16 Cent inklusive CO2-Preis ansteigen. Bei einem Strompreis von 28 Cent würde dies bereits 2027 zu einem Verhältnis Strom- zu Gaspreis von 2,15 führen.

• Bundesregierung (August 2023)

Die Bundesregierung hat ebenfalls Zahlen zur erwarteten Entwicklung der Strom- und Gaspreise bis 2035 vorgelegt. Aus diesen Zahlen ergibt sich ein Verhältnis Strom/Gas im Mittelwert von 2024 bis 2028 von 2,47 und bis 2035 von 2,37. Der Darmstädter Energieversorger Entega, in dessen Versorgungsgebiet sich das betrachtete Objekt befindet, geht von einem Verhältnis von 2,98 aus.

Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse wurde die Wirtschaftlichkeitsrechnung für zwei unterschiedliche zukünftige Verhältnisse von Strom- zu Gaspreis über den Betrachtungszeitraum von 20 Jahren gerechnet (also 2,47 und 2,98), wie Tabelle 3 aufzeigt.

Mieterstrom ist nun einfacher

Ein wichtiger Faktor der Wirtschaftlichkeitsrechnung ist die Frage, ob beziehungsweise in welchem Maß der mit einer PVT-Anlage erzeugte und von der Wärmepumpe nicht direkt verbrauchte Strom innerhalb des Gebäudes genutzt und gegebenenfalls vergütet werden kann. Bislang waren die rechtlichen und bürokratischen Anforderungen zur Realisierung von Mieterstrom, das heißt dem Verkauf des auf dem Gebäude produzierten Stroms an die Mieter, für viele Wohnbaugesellschaften zu hoch.

Mit dem Modell der Gemeinschaftlichen Gebäudeversorgung, das Bestandteil des Solarpakets I ist, entfallen für den Betreiber die Verpflichtungen eines Energieversorgers, wodurch die Abrechnung wesentlich vereinfacht und für Wohnbaugesellschaften praktikabel wird. Mieter können nach wie vor bei dem Stromlieferanten ihrer Wahl Strom beziehen. Zusätzlich können sie einen Vertrag mit dem Betreiber der PV(T)-Anlage abschließen. Der auf dem Gebäude produzierte Solarstrom wird in einer Aufteilung gemäß Vertrag den Mietern zur Verfügung gestellt und reduziert zu dieser Zeit deren Bezug von Netzstrom.

Für den Betreiber entfallen für den direkt im Gebäude genutzten Solarstrom Netzgebühren und weitere Umlagen. Den Mietern wird er den Bezug des Solarstroms dementsprechend günstiger anbieten, auch um einen Anreiz zu schaffen. Für Mieterstrom gilt aktuell, dass der Strompreis maximal 90 % des örtlichen Grundversorgertarifs entsprechen darf. In der Wirtschaftlichkeitsrechnung wurde für den Bezug selbst produzierten Stroms von einer Reduzierung um 10 % gegenüber dem ansonsten für das Gebäude angesetzten Netzstrompreis ausgegangen.

Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsrechnung

Der durchgeführten Wirtschaftlichkeitsrechnung wurden folgende weitere Annahmen zugrunde gelegt:

• Inflationsrate: 2 %
• kalkulatorischer Zins: 4 %
• Lebensdauer (Betrachtungszeitraum): 20 ­Jahre

Tatsächlich wird die Lebensdauer eines Bestandskessels kürzer sein. Bei PVT-Luft/Sole-Kollektoren sowie Sole-Wärmepumpen kann von einer höheren Lebensdauer ausgegangen werden (CO2-­Faktor für Strom 0,107 t CO2/MWh – entsprechend der Prognose für 2028 – und für Gas 0,201 t CO2/MWh nach „Informationsblatt CO2-Faktoren“ des Bafa, Stand 15. Februar 2024).

Es wird die KfW-Basisförderung von 30 % angesetzt: Falls eine Sole-Wärmepumpe mit Propan als Kältemittel gewählt wird, erhöht sich die Förderung dank des Effizienzbonus von 5 % auf 35 %. Das Gebäude hat 24 Wohnungen, die maximal förderfähige Summe beträgt damit 249.000 Euro und wird nicht überschritten. Die Ergebnisse der Wirtschaftlichkeitsrechnung bei Annahme eines mittleren Verhältnisses von Strom- zu Gaspreis von 2,47/2,98 über den Betrachtungszeitraum von 20 Jahren sind in Tabelle 4 dargestellt. Hierbei wurde der gemittelte Strompreis in beiden Fällen mit 0,28 Euro angesetzt. Alle Kosten verstehen sich zuzüglich Mehrwertsteuer. Die Amortisationszeit wurde jeweils für den ungünstigsten Fall (ohne Förderung und mit Zins) und den aktuell relevanten Fall (mit Förderung und mit Zins) ausgewiesen.

Wirtschaftlichkeit bei Realisierung durch Eigentümer

Falls die Investition und der Betrieb durch den Eigentümer, also die Wohnbaugesellschaft, durchgeführt würde, wäre der Eigentümer verpflichtet, die reduzierten Betriebskosten an die Mieter weiterzugeben. Im Gegenzug könnte er die Kaltmiete erhöhen. Dabei müssen folgende Randbedingungen berücksichtigt werden.

• Die Kaltmiete kann max. um 3 Euro/m2 angehoben werden, wenn sie bisher über
  7,00 Euro/m2 liegt. Wenn sie darunter liegt, kann sie max. um 2 ­Euro/m² steigen.
• Insgesamt dürfen die Mieterhöhungen 8 % der Investitionskosten nicht übersteigen.
• Da mit den monatlichen Einsparungen der Betriebskosten pro Quadratmeter mit 0,83 Euro/m2 bzw. 0,92 Euro/m2 beide Voraussetzungen erfüllt sind, kann die Kaltmiete um diesen Betrag erhöht werden, ohne dass sich die Warmmiete ändert. Auf diese Weise kommen die Einsparungen dem Eigentümer (Investor) zugute. Damit ergibt sich bei einem Strom-/Gaspreisverhältnis von 2,47 bereits ohne Förderung und mit Zins eine Amortisationszeit von nur 6,4 beziehungsweise 8,0 Jahren. Beim Verhältnis von 2,98 ergibt sich eine Amortisationszeit von 8,6 bzw. 10,9 Jahren.

Wirtschaftlichkeit bei Realisierung durch Contractor

Beim Contracting ist ebenfalls Warmmietenneutralität einzuhalten. Hier kann die Kaltmiete unverändert bleiben. Der Contractor ermittelt die Betriebskosten (im Wesentlichen Energie, Wartung und Schornsteinfeger) der vergangenen drei Jahre, kann diese Kosten dann in Zukunft auch bei reduzierten Betriebskosten an die Mieter weitergeben und auf Basis bestimmter Indizes auch später erhöhen.

Um die Wirtschaftlichkeit für einen Contractor zu berechnen, wurden die jährlichen Gesamtkosten unter Berücksichtigung der Investitionen nach der Annuitätsmethode ermittelt. Hierbei wurden die Einnahmen aus Mieterstrom und Einspeisevergütung berücksichtigt. Als zusätzliche Marge zur Deckung der Verwaltungskosten des Contractors wurden 7 % angesetzt.

Bereits bei einem Betrachtungszeitraum von etwa vier bis fünf Jahren ergeben sich beim Strom-/Gaspreis-Verhältnis von 2,47 die gleichen jährlichen Gesamtkosten wie für die Bestandslösung; beim Verhältnis von 2,98 ergeben sich etwa fünf bis sechs ­Jahre. Die jährlichen Gesamtkosten des Contractors aus Annuitätsmethode (ein Verfahren auf Basis der dynamischen Investitionsrechnung), mit einer Marge von 7 % bei einem mittleren Verhältnis von Strom- zu Gaspreis von  2,47/2,98,  mit Förderung (30 %), sind in  Tabelle 5 aufgelistet.

Realisierung der Maßnahme ohne Standardisierung

Bei den vorgestellten Wirtschaftlichkeitsrechnungen wurde davon ausgegangen, dass die Sanierung durch die Wohnbaugesellschaft oder einen beauftragten Contractor im Rahmen eines standardisierten Sanierungsprogramms durchgeführt wird, mit Direktbezug des Materials beim Hersteller und Montage durch ein eigenes spezialisiertes Montageteam. Heute ist dagegen gängige Praxis, dass das Sanierungsprojekt individuell geplant, ausgeschrieben und von dem Installationsbetrieb, der die Ausschreibung gewonnen hat, installiert wird. Auch dieser Fall wurde untersucht. Das Material wird durch den Installationsbetrieb bezogen und mit Listenpreisen berechnet. Folgende Tabelle zeigt die Investitionskosten für die beiden Sanierungsvarianten bei Ausschreibung zuzüglich Mehrwertsteuer (siehe Tabelle 6).

Falls der Betrieb eine solche Heizungsanlagenerweiterung zum ersten Mal oder selten macht, muss mit deutlich höheren Montagezeiten gerechnet werden. Um diesen Einfluss zu berücksichtigen, wurden die Zeiten und Kosten für Montage, Planung und Bauüberwachung verdoppelt.

Selbst bei diesen Annahmen kann bei dem vom BMWK prognostizierten Verhältnis von Strom- zu Gaspreis eine Amortisationszeit unter zehn Jahren erreicht werden: Bei einem Strom-/Gaspreisverhältnis von 2,47 mit Förderung und mit Zins ergibt sich eine Amortisationszeit von nur 8,7 bzw. 10,8 Jahren; beim Verhältnis von 2,98 eine Amortisationszeit von 11,8 bzw. 14,7 Jahren. Das Potenzial, das in einer standardisierten Sanierung liegt, wird deutlich: Die Amortisationszeiten im herkömmlichen Fall liegen um mehr als 30 % über dem Fall der Standardisierung.

Amortisationszeiten unter zehn Jahren

Die vorgestellten Untersuchungen zeigen eine hochinteressante Möglichkeit der Sanierung von Mehrfamilienhäusern auf: Die 65-%-EE-Vorgabe kann bei Warmmietenneutralität erfüllt werden. Bereits bei herkömmlicher Sanierung mit individueller Planung, Ausschreibung und Montage können unter Annahme eines über die kommenden 20 Jahre gemittelten Verhältnisses von Strom- zu Gaspreis von 2,47 Amortisationszeiten unter zehn Jahren erreicht werden.

Voraussetzung für eine besonders gute Wirtschaftlichkeit – auch bei einem ungünstigeren Verhältnis von Strom- zu Gaspreis – ist die Umsetzung im Rahmen eines standardisierten Sanierungsprogramms, bei dem die Wohnbaugesellschaft beziehungsweise der Anlagenbetreiber den Gebäudebestand in Sanierungstypen clustert und diese mit Direktbezug des Materials und eigenem geschulten Montageteam abarbeitet. 

Wird die Sanierung im Rahmen eines Anlagen-­Contractings durchgeführt, ist die Wirtschaftlichkeit noch interessanter. In einem zweiten Schritt können dann die Gebäude gedämmt werden, sodass sie fossilfrei beheizt und besser gegen sommerliche Hitze geschützt werden können. Dieses zweistufige Sanierungskonzept ist eines von mehreren Konzepten, die in dem vom BMWK geförderten Projekt DynOpt-San entwickelt und für eine standardisierte Planung und Umsetzung aufbereitet werden.