Wärmepumpen und Batteriespeicher passen zusammen

Am 4.12 haben wir auf Initiative von E3/DC ein Webinar zum Thema Batteriespeicher 2: Kombination von Speicher, Wärmepumpe und Photovoltaik durchgeführt. Viele Fragen wurden bereits im Webinar beantwortet. Die Fragen, für die keine Zeit war, beantworten nun E3/DC-Geschäftsführer Andreas Piepenbrink und Claus-Rainer Fischer, Geschäftsleitung Automation beim Wärmepumpenanbieter Waterkotte.

Es lohnt sich, einen Batteriespeicher einzusetzen, wenn man eine Wärmepumpe und eine Photovoltaikanlage einbaut oder besitzt. So eine der Hauptbotschaften der Referenten. Das liegt unter anderem daran, dass Wärmepumpen normalerweise eine bestimmte Leistung für ihren Betrieb benötigen und diese nicht von außen vorgegeben werden kann. Wenn die in einem bestimmten Moment erzeugte Solarleistung darunter liegt und die Wärmepumpe gerade läuft oder zur Deckung des Wärmebedarfs laufen muss, zieht sie Netzstrom. Dann hilft ein Batteriespeicher, den Eigenverbrauch und die solare Deckung der Heizenergie zu erhöhen. Seite zehn des ersten Vortrags zeigt in einer Simulation für ein Haus mit einer Wärmepumpe, die Brauchwasser und Raumwärme erzeugt, wie groß dieser Effekt ist.

Holger Laudeley hat ein Mietshaus aus den 70er Jahren energetisch mit Batteriespeicher, Photovoltaik, Wärmepumpe und BHKW saniert. Die die Energie wird für die Bewohner billiger, die Mieten steigen nicht und für den Vermieter amortisiert sich die Investition. Dafür hat er den pv magazine Award bekommen (ausführliche Beschreibung siehehier). Mehr dazu in dem letzten Webinar der von E3/DC Reihe am Donnerstag, 17.12. um 15:00, Andreas Piepenbrink und Holger Laudeley.Zur Anmeldung
Außerdem hilft eine technische Weiterentwicklung, den Eigenverbrauch noch weiter zu steigern: Das Energiemanagementsystem des Batteriespeichers kann der Wärmepumpe vorgeben, mit welcher elektrischen Leistungsaufnahme sie vorzugsweise laufen sollte.

In dem Webinar ging es sowohl um Wärmepumpen, die nur das Bauchwasser erhitzen als auch um Wärmepumpen, die die gesamte Raumwärme erzeugen.

Fragen und Antworten

1. Wirtschaftlichkeit der Kombination Batteriespeicher und Wärmepumpe allgemein
Der Wirkungsgrad einer Batterieladung und Entladung liegt bei 75 bis 85 Prozent – die damit zusammenhängenden Verluste muss man in dem Vergleich Wärmespeicher versus Batteriespeicher doch auch berücksichtigen, oder?

Andreas Piepenbrink: Ja. Diese sind in der Regel aber durch die reale Ausbeute Solaranlage (kWh pro kWp) am Standort gut abgedeckt. Die realen Verluste eines Solarwechselrichters im Teillastbetrieb sind ähnlich hoch wie die der Elektronik des Batteriespeichers. Wenn Sie den Ertrag der Solaranlage betrachten, sind diese Verluste also schon eingepreist.

Ist es auch bei einer rein wirtschaftlichen Betrachtung sinnvoller, einen Batteriespeicher statt eines größeren Wärmespeichers zu installieren? Gilt das auch wenn man berücksichtigt, dass man für den Betrieb von Wärmepumpen einen günstigeren Stromtarif bekommt?

Andreas Piepenbrink: Die Verluste eines großen Wärmespeichers, der eine große Wassermenge durch ständiges Nachheizen auf Temperatur hält, können Sie dem Datenblatt entnehmen oder den Auslegungen der großen Heizungsbauer (z.B. Viessmann; Vaillant). Der Batteriespeicher kann ja keinen Wärmespeicher ersetzen, sondern liefert mehr Flexibilität und Effizienz und der zugehörige Wasserspeicher kann kleiner ausfallen.

Eine Brauchwasser-Wärmepumpe hat eine Stromaufnahme von typischerweise 400 Watt. Wer eine solche Wärmepumpe in Kombination mit einer Fünf-Kilowatt-Wärmepumpe einbaut, beeinflusst den Eigenverbrauch doch nur sehr geringfügig. Warum halten Sie die Kombination wirklich für sinnvoll? Wie viel Eigenverbrauchserhöhung bekommt man bei diesen Dimensionierungen durch einen zusätzlichen Batteriespeicher?

Antwort: die Brauchwasserwärmepumpe ist eine Investition für Gas- und Ölheizungen.

Sie wollten noch mehr Simulationen mit Beispielen zum Vergleich von größeren thermischen Speichern zu Batteriespeichern zur Verfügung stellen (zu Seite 8 des Vortrags). Wo kann ich diese finden?

Andreas Piepenbrink: E3/DC hat einen Konfigurator entwickelt, mit dem verschiedene Auslegungen simuliert werden können. Dieses Tool ist leider noch nicht online. pv magazine wird vermutlich in der Märzausgabe über damit berechnete verschiedene Auslegungen berichten.

Sowohl den Batteriespeicher als auch den größeren Wärmespeicher kann man ersetzen, indem man die Raumtemperatur etwas erhöht und die Gebäudemassen als "Speicher" benutzt. Warum sollte man trotzdem einen Batteriespeicher nutzen?

Andreas Piepenbrink: Die Frage ist was man will. Wir von E3/DC haben uns für das Ziel entschieden, den Primärenergiebedarf zu reduzieren. Wenn sie mithilfe der Raumtemperaturanhebung Energie speichern wollen, müssen Sie das Gebäude gut dämmen, sonst erhöhen Sei vor allem den Primärenergieverbrauch. Das kann man machen. Die Dämmung ist aber die schlechteste Option. Eine technische Sanierung, ei so genannte aktive Sanierung sieht vor, den fossilen Brennstoffverbrauch zu verringern, indem aktive Elemente (Batterie, Wärmepumpe, Photovoltaik) zeitlich angepasst die richtige Energiemenge dynamisch liefern.

In vielen Fällen wird für eine Heizungs-Wärmepumpe ein separater Zähler installiert. Wie lässt sich dann der Strom aus der Solaranlage zum Wärmepumpenbetrieb nutzen?
Andreas Piepenbrink: Überhaupt nicht. Wenn die Wärmepumpe in Ihrem eigenen Tarif läuft, können Sie auch keinen Strom dafür selbst erzeugen.

Eine Brauchwasserwärmepumpe kostet zirka 5.000 Euro, ein Heizstab mit Thyristorsteller zirka 1.500 Euro. Die benötigte Heizleistung kann die Solaranlage oft auch ohne Wärmepumpe bereitstellen. Was halten Sie von dieser Power-to-Heat-Technik nur mit Heizstab?

Andreas Piepenbrink: Stimmt nicht. Modernste Brauchwasserwärmepumpen kommen auf max. 2500-3000€. Die geregelten Heizstäbe sind aber eine gute Alternative, wenngleich diese keinen COP haben, d.h. mit 3-5 fach mehr Leistung laufen, um die gleiche Wärmemenge zu erzeugen.

Haben Sie Vorschlagen für die Auslegung PV+Batterie+Wärmepumpen?

Andreas Piepenbrink: Ja. Der Wärmebedarf in elektrischen kWh wird einfach auf den Hausverbrauch addiert und der Batteriespeicher sowie die PV Anlage für den gemeinsamen Stromverbrauch ausgelegt. Die Auslegung erfolgt grob mit Erzeugung (kWh elektrisch)?= 1,3 x Gesamtverbrauch (kWh). Speicherung (kWh) = Gesamtverbrauch / 1000 (kWh).

Sie haben eine Grafik gezeigt, nach der mit einer Photovoltaikanlage, einem Batteriespeicher und einer Wärmepumpe über 50 Prozent der Wärmeenergie sogar gedeckt werden können. Nehmen wir als Beispiel eine 9 Kilowatt Photovoltaikanlage. Sie erzeugt zwischen November und Februar zirka 1200 Kilowattstunden elektrische Energie. Das reicht dafür doch nicht aus.
Andreas Piepenbrink: Sie beziehen sich auf Seite acht des Vortrags. Wie hoch die Wärmeautarkie ist, hängt vom Gebäudetyp ab. Bei Passivhäusern liegt sie bei etwa 70 Prozent, bei nicht gut gedämmten Häusern bei etwas über 20 Prozent. Dass die Wärmeautarkie größer ist als Sie auf den ersten Blick abschätzen, liegt auch am Brauchwasseranteil. Der Brauchwasserbedarf ist nicht so abhängig von der Jahreszeit. Im Hochwinter reicht der Solarstrom selbstverständlich nicht aus. Die wesentlichen Optimierung auch mit dem Batteriespeicher liegen in den Übergangszeiten.

2. Fragen zum Batteriespeicher von E3/DC:

Welche Komponenten des Batteriespeichers können wie recycelt werden?

Andreas Piepenbrink: Alle. Elektronikschrott sowie die Batterie selbst. E3/DC hat für jede Batterie die Entsorgungskosten vorab bezahlt.

Zu welchem Anteil können die chemischen Komponenten einer Batterie durch das Recycling wieder als reine Komponenten zur Verfügung gestellt werden?

Andreas Piepenbrink: Die chemischen Komponenten werden nicht wiederverwertet.

Wie arbeitet das E3/DC-Gerät mit anderen Geräten wie zum Beispiel Ladesäulen zusammen?

Andreas Piepenbrink: Über intelligentes Laden, das heißt über Schnittstellen wie SG Ready oder Typ 3 Mode 3 Laden liefert das Gerät die vom Verbraucher benötigte Menge.

Wie verhindert das E3/DC-System, dass die Mittagsspitze in das Netz eingespeist wird?

Andreas Piepenbrink: Über die Wetterprognose, die jedem Gerät kostenfrei zur Verfügung steht.

Nutzen Sie Erzeugungsprognosen und beziehen Sie auch Lastprognosen der Wärmepumpe in den Ladealgorithmus ein?

Andreas Piepenbrink: Ja, wenn diese im Lastprofil sichtbar ist.

Aktualisiert ihr Energiemanger die Annahme für Stromerzeugung und Strombedarf öfter als alle 15 Minuten?

Andreas Piepenbrink: Ja, alle 2 Sekunden intern, alle 2 Minuten auf dem Server. Die angezeigten Daten für den Kunden sind gemittelte 15 Minuten Werte.

3. Energiesystem als ganzes

Führt nicht der großflächige Einsatz der Kombination Wärmepumpe und Photovoltaik dazu, dass für die Wintertage mit hohem Wärmebedarf und geringer Solarstrahlung konventionelle Kraftwerke als Reserve vorgehalten werden müssen?

Andreas Piepenbrink: Nein. Es gibt zudem 8mal soviel Windstrom wie Solarstrom. Im ganzjährigen Mittel steht genug erneuerbare Energie zur Verfügung. Man müsste konsequenterweise die Batteriespeicher auch so nutzen, dass er bei hohem Windstromaufkommen geladen wird und er im Winter hilft, die Erzeugung an den Verbrauch anzupassen. An solchen Konzepten arbeiten wir.

4. Fragen zur Kommunikation von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage

Der SG-Ready-Eingang der Wärmepumpe erlaubt ja lediglich, dieser vier verschiedene Betriebszustände mitzuteilen. Ist es richtig, dass E3/DC-Batteriespeicher und Waterkotte Wärmepumpen nicht über den SG-Ready-Eingang der Wärmepumpe miteinander kommunizieren, sondern über ein ausgefeilteres System?

Andreas Piepenbrink: Korrekt. Über ModBUS TCP werden noch weitere Funktionen bereitgestellt.

Stimmt es, dass bei Ihrer Kombination der Energiemanager des Batteriespeichers dem Wärmepumpenmanager mitteilen kann, über welchen Zeitraum voraussichtlich welche Energie zur Verfügung steht (das ist über SG Ready nicht möglich ist)?

Andreas Piepenbrink: Ja. Das Protokol (RSCP) von E3/DC liegt auch offen.

Sind das E3/DC-System und die Waterkotte Wärmepumpen aneinander angepasst worden, oder ist diese Art der Kommunikation im Prinzip auch mit anderen Wärmepumpen und Batteriespeichern möglich?

Andreas Piepenbrink: siehe oben. Ja, das ist auch mit anderen Wärmepumpen möglich.

Wenn zur Kommunikation der SG Ready Standard verwendet wird, versuchen die Energiemanager der Photovoltaikanlagen den Wärmepumpenbetrieb zu forcieren, ohne zu wissen, ob die Wärmeenergie am Ende abgenommen werden kann. Ist das bei Ihrem System besser?

Andreas Piepenbrink: Ja.

Wie findet die Kommunikation des E3/DC- Batteriespeichers mit der Waterkotte-Wärmepumpe konkret statt – über Modbus? Über Ethernet? Was bedeutet das für den Installateur?

Andreas Piepenbrink: ModBus TCP. Ethernetkabel einstecken und die Option von Waterkotte für die Wärmepumpe benutzen.

5. Fragen zum Einsatz von Wärmepumpen allgemein

Wo findet man eine Dokumentation zu der SG Ready Schnittstelle?

Andreas Piepenbrink: SG Ready ist nur ein Label. Die Dokumentation finden Sie im Handbuch.

Kann man mit einer Luft-Wärmepumpe den Wärmebedarf eines Haushalts so decken, dass eine Öl- oder Gasheizung ersetzt werden kann? Gibt es eine Luft-Wärmepumpe mit einer Arbeitszahl größer als 4,5? Wie groß darf der Temperaturunterschied zwischen Außenluft und Raumluft maximal sein, damit die Luft-Wärmepumpe im Winter noch sinnvoll betrieben werden kann?

Claus-Rainer Fischer: Ja Luftwärmepumpen können Öl und Gasheizungen ersetzen. Der COP bei Luftmaschinen ist stark von der Aussentemperatur abhängig. Deswegen werden bei der Ermittlung dieser Werte verschiedene Normpunkte dargestellt. Waterkotte Maschinen erreichen bei A7/W35 einen COP von 4,81. Bei A2/W35 einen Wert von 4,2. Hierzu ist zu sagen das 80% der Jahresheizarbeit bei Aussentemperaturen von >0°C aufgewendet wird. Die zuvor dargestellte Wärmepumpe kann bei einer Aussentemperatur von – 15°C noch mit einem COP von 2,63 betrieben werden.
(Zur generellen Diskussion der Arbeitszahlen von Wärmepumpen siehe auch pv magazineFAQs Wärmepumpe und Photovoltaik Stand Juni 2014)

In Norwegen sind Luft-Luft-Wärmepumpen sehr attraktiv. Was kann ich da meinen Kunden anbieten?

Claus-Rainer Fischer: Bei Luft / Luft Maschinen ist eine sehr gute Gebäudedämmung sowie ein sehr angepasstes Nutzerverhalten absolut wichtig. Zusätzlich muss über eine Warmwassererwärmung nachgedacht werden.

Den Waterkotte Wärmepumpen kann der Energiemanager der Photovoltaikanlage vorgeben, mit welcher elektrischen Leistung sie maximal arbeiten darf. Richtig?

Claus-Rainer Fischer: Ja wenn eine Kommunikation zwischen den Geräten gewährleistet ist

Ich habe es so verstanden, dass die Wärmepumpe nur die Abgabeleistung steuern kann. Wie lässt sich dann die Aufnahmeleistung variabel regeln?

Claus-Rainer Fischer: Die Aufnahmeleistung lässt sich mit Wärmepumpen anpassen die mit Inverter geregelten Kompressoren ausgestattet sind.

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