Sonnenenergiedach: Photovoltaik und Solarthermie als Effizienz-Duett

Das Entweder-Oder bei der Frage nach dem sinnvollsten Heizsystem ist nicht mehr zeitgemäß. Vielmehr gilt, durch die Kombination der heute am Markt verfügbaren Techniken die beste Lösung für die jeweilige Immobilie zu finden. Vor dem Hintergrund des beschlossenen, mittelfristigen Endes fossiler Energien und steigender Brennstoffkosten sind für die Zielerreichung regenerative Energien die sinnvollste Option. Die Nutzung der Sonnenenergie kann dabei eine zentrale Rolle einnehmen, um die Wärmeversorgung kosteneffizient, klimafreundlich und mit einem hohen Autarkiegrad zu gestalten. Kombinieren lässt sie sich mit allen am Markt verfügbaren fossilen und ökologischen Heizsystemen.

Klimafreundlicher Strom für die Wärmepumpe

Für die Energieversorgung eines Hauses steht beispielsweise die Wärmepumpe als hoch effiziente Heiztechnologie zur Verfügung. Dass pro eingesetzter Kilowattstunde Strom mehrere Kilowattstunden Wärme entstehen, bedeutet rechnerisch Wirkungsgrade von mehreren 100 Prozent. Mit Blick auf Klima und Kosten ist die Antriebsenergie entscheidend. Wärmepumpen benötigen Strom. Nur wenn er klimafreundlich ist, ist auch die Wärmepumpe klimafreundlich. Und nur wenn er günstig ist, ist das Heizen günstig. Ganz generell gilt für diesen Strom wie für jeden Energieträger, den man in einer Heizung einsetzen möchte und vorher kaufen muss: Desto weniger benötigt wird, desto besser.

Im Zuge des Systemgedankens stellt sich daher die Frage, wie man auf die Effizienz der Wärmepumpe aufbauen und ihren Bedarf an zugekauftem Strom senken kann. Die Sonne erweist sich zur Umweltwärme, die die Wärmepumpe aus der Luft zieht, als ideale Ergänzung. Die Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik ist inzwischen ein gängiges im Markt angekommenes System. Um das Gesamtsystem so effizient wie möglich zu gestalten, ist die Solarthermie zur unmittelbaren solaren Wärmegewinnung ein perfekter Partner. Auch auf dem Dach ist also das Entweder-Oder vorbei. Optimale Lösungen setzen auf Photovoltaik und Solarthermie.

Vorteile der Solarthermie

Mit Blick auf die Wärmeerzeugung bietet Solarthermie große Vorteile. Die Wärme entsteht direkt mit einem sehr hohen Wirkungsgrad, der über dem anderer solarer Systeme liegt. In Zahlen ausgedrückt erreicht Solarthermie Wirkungsgrade von 65 Prozent, Photovoltaik liegt im Schnitt bei 23 Prozent. Die Sonnenenergie wird direkt als Wärme genutzt, sodass weitere Umwandlungsverluste vermieden werden. Der Zwischenschritt, Sonne zuerst in Strom und dann als Antriebsenergie für die Wärmepumpe zu nutzen oder über einen Heizstab in Wärme zu wandeln, entfällt.

Diese Vorteile einer direkten Wärmeerzeugung und eines entsprechend hohen Wirkungsgrades bedeuten allerdings nicht, dass Solarthermie als alleinige Heizung in Frage käme. Wie eine Photovoltaikanlage kann auch eine solarthermische Anlage nur einen Anteil zur Deckung des Wärmebedarfs beisteuern. Gerade im Winter, wenn am meisten Energie benötigt wird, ist die Produktion beider Systeme im Jahresverlauf am geringsten. Durch Vergrößerung der Modul- oder Kollektorfläche die Produktion eines der beiden Systeme so zu erhöhen, dass sie das Maximum für die Wärmeversorgung erzielt, ist nicht sinnvoll. Denn das würde zu immensen Überproduktionen in den Sommermonaten führen. Besser ist es, beide Systeme miteinander zu kombinieren.

Deutlich gesteigerte Jahresarbeitszahl

In diesem Gesamtsystem liefert Photovoltaik einen Teil der Antriebsenergie für die Wärmepumpe und substituiert damit einen Teil der Strommenge, die der Haushalt von einem Energieversorger beziehen muss. Die Solarthermieanlage hingegen speist die von ihr erzeugte Wärme direkt in den Speicher ein und verringert damit die Energiemenge, die die Wärmepumpe produzieren muss. Dadurch sinkt die Strommenge, die der Haushalt zukauft. Die teilweise Deckung des Wärmebedarfs durch Solarthermie wirkt sich direkt auf die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe aus, wenn man das Gesamtsystem betrachtet. In diesem Fall steigt sie deutlich.

Eine Beispielrechnung verdeutlicht diesen Zusammenhang: In dem Beispiel hat ein Haushalt einen Wärmebedarf von 19.000 kWh. Deckt die Wärmepumpe diesen Bedarf komplett, benötigt sie 4.175 kWh Strom. Wärmemenge geteilt durch die Strommenge ergibt eine Jahresarbeitszahl von 4,55. Zieht man die Strommenge von der Wärmemenge ab, zeigt sich, dass die Wärmepumpe 14.825 kWh an Umweltwärme gewonnen hat, was einem Anteil von 78 Prozent der Gesamtmenge entspricht.

In einer Variante der Rechnung ist das Heizsystem mit einer Solarthermieanlage verknüpft, die 5.000 kWh solare Wärme liefert. Der Anteil am Gesamtwärmebedarf, den die Wärmepumpe liefern muss, reduziert sich somit auf 14.000 kWh, die dafür eingesetzte Strommenge auf 3.135 kWh. Teilt man die 19.000 kWh Gesamtwärmebedarf durch den Stromverbrauch von 3.135 kWh ergibt sich für das Gesamtsystem eine Jahresarbeitszahl von 6,06. Zählt man die solare Wärme zur Umweltwärme hinzu, da beides frei verfügbar ist und nicht erst produziert werden muss, steigt der Anteil der gewonnenen Umweltwärme auf 15.865 kWh beziehungsweise 83,5 Prozent. Der reduzierte Strombezug bedeutet eine Kostenersparnis für den Haushalt und gleichzeitig eine höhere Autarkie bei der Wärmeversorgung.

CO₂-Emissionen und Kosten reduziert

Im Vergleich zeigen sich die Vorteile der doppelten Sonnenenergienutzung deutlich. In einem Effizienzhaus 100 lassen sich durch die Kombination der Wärmepumpe mit eine Photovoltaikanlage 39 Prozent der bezogenen Strommenge einsparen. Mit einer zusätzliche Solarthermieanlage steigt die Einsparung noch einmal auf 68 Prozent. 

Dieser Effekt ist in einem Effizienzhaus 40 noch deutlicher. Die Einsparung liegt bei der Kombination mit Photovoltaik bereits bei 51 Prozent, bei der Kombination mit Photovoltaik und Solarthermie bei 71 Prozent. Als zusätzliche positive Effekte reduzieren sich die Starts des Kompressors der Wärmepumpe um 40 bis 55 Prozent sowie die Jahreslaufzeit um 35 bis 50 Prozent. Das bedeutet: Durch die solare Energieerzeugung ist mit einer längeren Lebensdauer der Wärmepumpe zu rechnen.

Gleichzeitig profitiert das Klima: Im Effizienzhaus 100 ist durch die doppelte Nutzung der solaren Energieproduktion mit einer CO₂-Einsparung von 23 Tonnen zu rechnen. Das entspricht wie beim Strombezug einer Reduktion von 68 Prozent. Es bleibt der Blick auf die Kosten. In einem Zeithorizont von 20 Jahren reduzieren sie sich dank der hohen Einsparung der Betriebskosten bei der Nutzung von Photovoltaik und Solarthermie um 31 Prozent im Effizienzhausstandard 100. Und das, obwohl die Investitionskosten bei diesem Gesamtsystem am höchsten sind. Beim deutlich energieeffizienteren Effizienzhausstandard 40 liegt die Einsparung bei immerhin noch 26 Prozent.

Qualität der Kollektoren entscheidend
Die Zahlen zeigen: Für Hauseigentümer ist es auf jeden Fall sinnvoll, das eigene Dach zu einem Sonnenenergiedach zu machen, das Photovoltaik und Solarthermie gleichzeitig nutzt. Die Dachfläche ist allerdings begrenzt. Wenn zwei Systeme darauf kombiniert platziert werden sollen, müssen sie daher auf kleiner Fläche eine hohe Energieausbeute liefern. Für die Solarthermie bietet sich hierfür mit Röhrenkollektoren eine attraktive Option. Diese erzielen eine höhere Energieproduktion als die ebenfalls erhältlichen Flachkollektoren. Die CPC-Röhrenkollektoren von Paradigma zeichnen sich dabei durch eine besonders hohe Effizienz aus. Die neuen AquaPLASMA+ Mo-dule sind aktuell die leistungsstärksten am Markt. Der hohe Wirkungsgrad entsteht durch den speziellen Aufbau: Unter den Vakuum-Glasröhren platzierte Parabolspiegel lenken die Sonnenstrahlen immer direkt auf die Röhren. Das funktioniert auch bei dif-fusem Licht und bedecktem Himmel, sodass auch im Winter nutzbare Wärmeerträge entstehen. Von dieser Technologie ausgehend hat Paradigma das eigene Portfolio um passende Wärmepumpen und Photovoltaikanlagen erweitert. Das Ergebnis sind ideal aufeinander abgestimmte Systemkomponenten, die die effiziente Wärmeerzeugung in einem stimmigen Gesamtsystem ermöglichen.