Durch immer günstigeren Solarstrom und die zunehmende Verbreitung von Wärmepumpen werden Photovoltaiksysteme neben der Stromversorgung zukünftig auch verstärkt die Wärmeversorgung von Gebäuden übernehmen. Dabei treten sie in Konkurrenz zur fossilen und biomassebasierten Wärmeerzeugung, die in den letzten Jahren aufgrund gestiegener Brennstoffkosten kontinuierlich teurer geworden ist. Im gleichen Zeitraum sind die Stromgestehungskosten für Solarstrom vom Einfamilienhausdach auf nur noch 10 bis 14 Cent pro Kilowattstunde gesunken. Für einen ökonomischen Betrieb von wärmepumpenbasierten Heizungssystemen, die durch Photovoltaik unterstützt werden, sollte daher ein möglichst hoher Anteil des Wärmepumpenstrombedarfs durch Solarstrom gedeckt werden. Um dies zu erreichen, muss die Wärmepumpe an den Haushaltsstromkreis angeschlossen werden, wodurch jedoch kein vergünstigter Heizstromtarif in Anspruch genommen werden kann.
Mindestautarkiegrad für PV-Wärmepumpensysteme
Ob sich der Anschluss einer Wärmepumpe an den Haushaltsstromkreis lohnt, hängt von den verschiedenen Stromtarifen für Bezug und Einspeisung sowie vom Jahresenergieverbrauch der Wärmepumpe ab. Der Mindestautarkiegrad der Wärmepumpe (siehe Formel im Infokasten) beschreibt, welchen Anteil des Wärmepumpenstrombedarfs ein PV-System mindestens decken muss, damit ein Verzicht auf den vergünstigten Wärmestromtarif wirtschaftlich rentabel ist.
Verbraucht beispielsweise die Wärmepumpe in einem Haus jährlich 6.000 Kilowattstunden Strom bei einem Heizstromtarif von 18,5 Cent pro Kilowattstunde und einem Haushaltsstromtarif von 28 Cent pro Kilowattstunde, so müsste ein PV-System mindestens 50 Prozent des Wärmepumpenstrombedarfs decken, damit sich der Anschluss an den Haushaltsstromkreis rechnet. Verbraucht die Wärmepumpe aufgrund effizienterer Technik oder durch eine Modernisierung des Gebäudes nur 1.500 Kilowattstunden pro Jahr, so lohnt sich die Umschaltung bereits ab einem auf den Wärmepumpenstrombedarf bezogenen Autarkiegrad von 18 Prozent. Mit zunehmender Effizienz des Gebäudes oder der Anlagentechnik rentiert sich folglich der Anschluss der Wärmepumpe an den Haushaltsstromkreis.
Batteriesysteme als Energiemanager
Wie hoch der Anteil des Solarstroms an der Versorgung einer Wärmepumpe ausfällt, hängt vor allem von der Systemdimensionierung und der Betriebsführung ab. Die Frage ist daher, welchen Nutzen die Kombination aus Photovoltaik und Wärmepumpe bringt und welchen Beitrag ein zusätzlich installierter Batteriespeicher bei der Strom- und Wärmebereitstellung in Einfamilienhäusern leisten kann. Wichtig ist dabei eine zentrale Regelung auf Haushaltsebene, zum Beispiel in Form eines Energiemanagements, das die verschiedenen Energieflüsse messen und die Geräte im Haushalt regeln kann. Da Batteriespeicher bereits über entsprechende Messtechnik verfügen und zudem schnell und flexibel regelbar sind, spricht vieles dafür, dass sie zur intelligenten Ansteuerung von Wärmepumpen über die sogenannte SG-Ready-Schnittstelle (siehe Kasten) eingesetzt werden.
Durch die SG-Ready-Schnittstelle wird externen Geräten wie einem Energiemanagementsystem die Möglichkeit geboten, die Wärmepumpe in Abhängigkeit des überschüssigen PV-Stroms zu betreiben. Dabei kann es unterschiedliche Speicheroptionen nutzen. Während eine Überhitzung des Trinkwasserspeichers ganzjährig möglich ist, beschränkt sich die Option zur Erhöhung der Raum- oder gegebenenfalls Pufferspeichertemperatur auf die Heizperiode. Bei der Wahl der Wärmepumpe sind Geräte mit der sogenannten Inverter-Technologie von Vorteil. Durch die modulierende Betriebsweise und somit Anpassung der Wärmerzeugung an den Verbrauch erhöht sich die Laufzeit der Wärmepumpe bei gleichzeitig im Mittel geringerer elektrischer Leistungsaufnahme. Dies führt – auch ohne die Nutzung der SG-Ready-Schnittstelle – bereits zu einer Erhöhung des Direktverbrauchs und des Autarkiegrades.
50 bis 70 Prozent Energiewende mit dem eigenen Dach
Zur Bestimmung der Systemperformance wurden Simulationsrechnungen mit einminütigen Zeitschritten für verschiedene Gebäude und Systemdimensionierungen durchgeführt [1]. Je nach Gebäudetyp lassen sich mit einer PV-Generatorgröße von zehn Kilowatt zwischen 25 und 65 Prozent des gesamten Strombedarfs eines typischen Haushalts zur Strom- und Wärmeversorgung mit Photovoltaikstrom decken (siehe Grafik). Die große Bandbreite hat dabei verschiedene Gründe: Aufgrund eines reduzierten Energiebedarfs, niedrigerer Vor- und Rücklauftemperaturen und damit verbesserter Effizienz der Wärmepumpe erreicht ein KfW-Effizienzhaus 40 gegenüber einem gut modernisierten Altbau etwa um zehn Prozentpunkte höhere Autarkiegrade. Durch die Nutzung der SG-Ready-Schnittstelle und unter der Berücksichtigung einer dem technischen Standard entsprechenden Nachtabsenkung der Raumtemperatur kann die Laufzeit der Wärmepumpe verstärkt in die Zeit solarer Überschüsse gelegt werden. Hierdurch kann der Autarkiegrad nochmals um fünf bis zehn Prozentpunkte gesteigert werden.
Die größte Steigerung des Autarkiegrades der Wärmepumpe wird durch die Integration eines zusätzlichen Batteriespeichers erreicht. Dieser ermöglicht sowohl die Versorgung des Haushalts als auch der Wärmepumpe mit überschüssigem Solarstrom. Mit einer nutzbaren Batteriekapazität von sechs Kilowattstunden kann der Autarkiegrad des Haushalts inklusive Wärmepumpe nochmals um 10 bis 20 Prozentpunkte steigen, so dass sich modernisierte Altbauten bei vollständiger Nutzung der Dachfläche (zehn Kilowatt) zu fast 50 Prozent mit Strom und Wärme selbst versorgen können. Bei gleicher PV-Generatorleistung können Effizienz- und Passivhäuser auch Autarkiegrade bis 70 Prozent erreichen.
Energiemanagement in der Praxis
Die SG-Ready-Schnittstelle ist, wie bereits erwähnt, zum Standard bei Wärmepumpen unabhängig vom Hersteller geworden. Bei Energiemanagementsystemen oder auch intelligenten Batteriespeichern gestaltet sich die Produktpalette leider deutlich übersichtlicher. Manche PV-System- sowie Heizungssystemhersteller bieten zwar erste Lösungen an, jedoch hat der Kunde oftmals nur die Möglichkeit, die Produkte über das Fachhandwerk zu beziehen. Ein Preis- und Funktionsvergleich gestaltet sich somit schwierig. Darüber hinaus wird ungenügend kommuniziert, ob die SG-Ready-Schnittstelle oder doch eine andere Form der Ansteuerung verwendet wird. Für einen Durchbruch der Wärmepumpen im Bereich der Wohngebäude wäre es daher wünschenswert, wenn spätestens auf der Intersolar 2016 alle namhaften Hersteller von PV-Batteriespeichern das Label „Kompatibel zu SG Ready“ auf ihren Datenblättern vorzeigen können. Dies würde die Grenzen zwischen dem Strom- und Wärmesektor weiter abbauen und somit der Energiewende endlich den nötigen Impuls geben.
Die Autoren Tjarko Tjaden, Felix Schnorr und Johannes Weniger sind Mitarbeiter an der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin. Volker Quaschning ist Professor für Regenerative Energiesysteme und Sprecher des Studiengangs Regenerative Energien an der HTW Berlin. Gemeinsam forschen die Autoren zu photovoltaischen Eigenversorgungssystemen im Bereich Strom und Wärme. Im Fokus steht dabei die intelligente Verknüpfung von Photovoltaiksystemen mit Batterie- und Wärmespeichern.
Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlinhttp://pvspeicher.htw-berlin.de
Danksagung – Die präsentierten Ergebnisse sind im Projekt „Energiemanagement und Optimierung von Photovoltaiksystemen mit Batterie- und Wärmespeichern (PVstore)“ entstanden (Förderkennzeichen: 0325716G). Die Autoren danken dem Projektträger Jülich (PtJ) und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für das entgegengebrachte Vertrauen.
Literatur [1] T. Tjaden, F. Schnorr, J. Weniger, J. Bergner, V. Quaschning: „Einsatz von PV-Systemen mit Wärmepumpen und Batteriespeichern zur Erhöhung des Autarkiegrades in Einfamilienhaushalten“, in: 30. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 2015.
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