Mit Wärmepumpe und Batteriespeicher überwiegend energieautark

Mit Solarstrom kann man auch heizen. Inwieweit der Betrieb einer Wärmepumpe mit eigenem Strom dem Betreiber einer Photovoltaikanlage wirtschaftlich nützt, haben Forscher an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) in Berlin untersucht. Sie berücksichtigen in ihren Modellen auch die Ergänzung des Versorgungssystems um einen thermischen Speicher und einen Batteriespeicher. Nahezu zu 70 Prozent kann eine Photovoltaikanlage den gesamten Energiebedarf eines Hauses decken und damit ihren Eigentümer zu mehr als zwei Dritteln energieautark machen, ist das Ergebnis der Simulation.

Solaranlagen auf dem selben Grundstück zählen als ein System, wenn beide innerhalb von zwölf Monaten gebaut werden

Wer mit dem Strom seiner Solaranlage auch heizen will, kann sich zu nahezu 70 Prozent energieautark machen, wenn das Gebäude gut gedämmt ist. Foto: PV-Forum

Soll langfristig in Deutschland auch die Wärmeversorgung vollständig auf erneuerbare Quellen umgestellt werden, kommt dabei elektrischer Energie eine steigende Bedeutung zu. Galt in der Vergangenheit das Heizen mit Strom als ineffizient, hat sich der Wertmaßstab durch die grenzkostenfreie Produktion von Wind- und Sonnenstrom verschoben: Heute ist es wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll, mit Überschüssen zu heizen. Inwieweit sich dabei das regelmäßige Heizen mit Wärmepumpen für Betreiber von Photovoltaikanlagen rechnet, hat ein Team der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) in Berlin am Lehrstuhl von Volker Quaschning untersucht.

Wer sich mit dem Gedanken trägt, über eine Wärmepumpe zu heizen, steht zunächst vor der Frage, über welchen Zähler das Gerät angeschlossen werden sollte – den gewöhnlichen Haushaltsstromzähler oder einen eigenen Zähler für die Wärmepumpe. Letzterer ist erforderlich, wenn der von den Stromversorgern angebotene Wärmestromtarif genutzt werden soll, der gewöhnlich deutlich niedriger liegt als der Haushaltsstrompreis. Hier gilt: „Mit zunehmender Effizienz des Gebäudes oder der Anlagentechnik lohnt sich der Anschluss der Wärmepumpe an den Haushaltsstromkreis“, schreiben die Forscher.

Anschluss der Wärmepumpe über Haushaltsstromzähler oder eigenen Zähler?

Grundlage dafür bildet eine Formel, die auch jeder Anlagenbetreiber zu Rate ziehen kann: Mit ihr wird errechnet, welchen Anteil der benötigten Energie für die Wärmepumpe durch die Photovoltaikanlagen mindestens zu decken ist, damit das Gerät mit eigenem Solarstrom gespeist werden kann. Je geringer der Strombedarf der Pumpe, desto eher rentiert sich die Versorgung mit eigenem Solarstrom. Bei älteren Solaranlagen kann zudem sein, dass sich der Verzicht auf die Einspeisevergütung für den Betreiber nicht rechnet, wenn der erzeugte Solarstrom statt dessen dem Antrieb der Wärmepumpe dient. Die Formel lautet:

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mit aWP,min als minimaler Autarkiegrad der Wärmepumpe, also der Verbrauchsanteil der Wärmepumpe, der mittels Solarstrom zu decken ist, damit sich der Betrieb der Wärmepumpe mit eigenem Solarstrom lohnt. Wird dieser Grad nicht erreicht, lohnt sich für den Betreiber der Betrieb der Wärmepumpe über den Strom aus der Steckdose zum günstigen Wärmepumpentarif.

Weiterhin bedeuten: THH – der Haushaltsstrompreis, TWP – der Wärmepumpenstrompreis, KZ,WP – die zusätzlichen Kosten für einen Wärmepumpenzähler, EWP – der Strombedarf der Wärmepumpe pro Jahr und TPV – die Einspeisevergütung für eingespeisten Solarstrom, die bei einem Betrieb über die Wärmepumpe entfällt

Wie stark ist die Eigenversorgung mit Strom und Wärme möglich?

Wie stark sich Photovoltaikanlagenbetreiber mit eigener Energie versorgen können – sowohl hinsichtlich Elektrizität als auch Wärme -, ist Dreh- und Angelpunkt der Untersuchung der Forscher. Für drei Gebäudetypen mit unterschiedlichem Wärmebedarf wurde der Einsatz von Wärmepumpen simuliert und der maximale Grad der Versorgung ermittelt. Die Simulation wiederholten die Forscher für ein Versorgungssystem mit thermischem Speicher sowie mit integriertem Batteriespeicher. Einkalkuliert sind dabei die Wärmeverluste über die Gebäudehülle als auch natürliche Wärmegewinne, die sich durch die Sonnenstrahlung auf das Gebäude und durch die Fenster als auch durch abgestrahlte Wärme von Menschen und elektrischen Geräten ergeben.

Unabhängig vom Gebäudetyp ist die Wärmepumpe etwa 2.000 Stunden im Jahr in Betrieb, ergab die Simulation. Um eine höhere Gleichzeitigkeit mit der Erzeugung der Photovoltaikanlage zu erreichen, empfiehlt es sich daher, den Betrieb der Pumpe zu modulieren. Dadurch wird die maximale Leistungsaufnahme des Geräts gesenkt und die Laufzeit über das Jahr gesehen steigt. Die Forscher raten zudem, die Heizanlage so zu steuern, dass nachts eine geringere Temperatur eingestellt wird als am Tag, wie es in den meisten Wohnungen ohnehin üblich ist. Auf diese Weise kann nochmals der Eigenverbrauch von Solarstrom erhöht werden, vor allem, je höher der Energiebedarf eines Gebäudes ist.

Simulation mit Nachtabsenkung und Leistungsanpassung der Wärmepumpe

Bei den drei Gebäudetypen haben die Forscher Einfamilienhäuser mit 95, mit 55 und mit 25 Kilowattstunden Wärmebedarf pro Quadratmeter zu Grunde gelegt, wenn im Haus eine Temperatur von 21 Grad Celsius herrschen soll. Die benötigte Wärme für Heißwasser ist dabei nicht einkalkuliert. In der Simulation werden die Häuser nur über die Wärmepumpe und ergänzend über einen Heizstab beheizt, der jedoch nur einen geringen Stromverbrauch verursachte, sagt Tjarko Tjaden, der über das Forschungsprojekt auch einen Vortrag zum PV-Symposium in Bad Staffelstein hielt. Beim restlichen Stromverbrauch – also ohne die zum Heizen benötigte Elektrizität – haben die Forscher 4.000 Kilowattstunden pro Jahr angenommen.

Eine nach Süden ausgerichtete Photovoltaikanlage mit zehn Kilowatt Leistung kann den Energiebedarf der drei exemplarischen Haushalte zu 28 bis 33 Prozent decken, ergab die Simulation ohne Batteriespeicher, wenn die Wärmepumpe einen Modulationsbereich von 50 Prozent aufweist und eine Nachtabsenkung vorgenommen wird. Je besser das Gebäude gedämmt ist, desto höher fällt der Autarkiegrad aus. Ohne Nachtabsenkung und Leistungsanpassung der Wärmepumpe ergeben sich nur 20 bis 33 Prozent – beide Faktoren wirken umso stärker, je größer der Wärmebedarf des Gebäudes, also je schlechter es gedämmt ist. Von einer Modulation der Wärmepumpe geht aber ein größerer Effekt aus als von einer Nachtabsenkung. Bei einer Leistungsanpassung der Wärmepumpe von 100 Prozent erhöht sich der Autarkiegrad für alle drei Gebäudetypen noch einmal um rund zwei Prozentpunkte – solche Wärmepumpen gibt es bislang jedoch nicht für die häusliche Anwendung sondern lediglich für Kraftfahrzeuge. „Es wäre nicht nachteilhaft, wenn sie auch für die Photovoltaik zur Verfügung stünden“, sagte Tjaden zum PV-Symposium. Die Abregelungsverluste der Photovoltaikanlage aufgrund der 70-Prozent-Regel sind relativ unabhängig vom Gebäudetyp und liegen bei einer Zehn-Kilowatt-Anlage bei unter zwei Prozent.

Simulation zusätzlich mit thermischem Speicher

Ein thermischer Energiespeicher, in dem Heißwasser gespeichert wird, wenn Stromüberschüsse anliegen, erhöht den Autarkiegrad für jedes Gebäude auf 30 bis 41 Prozent, wenn weder eine Nachtabsenkung noch eine Modulation der Wärmepumpe vorgenommen werden. Beide Effekte haben jedoch nur geringfügige Auswirkungen, wenn es einen thermischen Speicher gibt. Maximal lässt sich der Autarkiegrad für schlechter gedämmte Häuser um weitere zwei Prozent erhöhen, für das am besten gedämmte Haus tendiert der Effekt sogar gegen Null.

Zwecks maximaler Ausnutzung des Speichers wurden die Betriebstemperaturen im Haus verändert: Die Heißwassertemperatur wurde auf 55 Grad Celsius erhöht und die Raumlufttemperatur auf 23 Grad Celsius. Diese Parameter werden aber nur eingehalten, wenn solare Überschüsse vorhanden sind und wenn die Außentemperatur niedrig genug ist. Über eine intelligente Schnittstelle der Wärmepumpe, SG-Ready genannt, regelt die Wärmepumpe den Betrieb.

Simulation mit Batteriespeicher

Den größten Effekt zur Erhöhung der Eigenversorgung mit Solarstrom hat – erwartungsgemäß – die Installation eines stationären Batteriespeichers. In der Simulation hat dieser eine Speicherkapazität von sechs Kilowattstunden. Die Forscher haben zudem zu Grunde gelegt, dass er über das KfW-Förderprogramm angeschafft wird und gehen von einer maximalen Einspeisung der Zehn-Kilowatt-PV-Anlage von 60 Prozent aus. Dabei entstehen Abregelungsverluste von etwa 4,5 Prozent. Einen thermischen Speicher gibt es in dieser Konstellation nicht.

Der Autarkiegrad mit Batteriespeicher liegt für die drei Gebäudetypen zwischen 40 und 58 Prozent – je besser das Gebäude gedämmt ist, desto höher ist er wieder. Durch Nachtabsenkung und Leistungsanpassung der Wärmepumpe erhöht sich der Eigenversorgungsanteil nochmals deutlich und liegt dann für das am schlechtesten gedämmte Haus (in der Grafik als SFH100 bezeichnet) bei bis zu 49 Prozent. Das Gebäude mit reduziertem Wärmebedarf (in der Grafik SFH60) kann bis zu 59 Prozent komplett über die Photovoltaikanlage versorgt werden und das Haus mit dem geringsten Energiebedarf im Projekt (SFH30) sogar zu bis 66 Prozent. Dass heißt, „nur noch ein Drittel des gesamten Strombedarfs des Hauses (muss) aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden“, lautet das Ergebnis der Forscher.

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Die Ergebnisse der vier Simulationen für die drei Gebäudetypen im Vergleich: Maximal sind mehr als 50 Prozent Energieautarkie möglich – auch für einen modernisierten Altbau. Grafik: HTW Berlin, Tjarko Tjaden

Simulation mit Batteriespeicher und thermischem Speicher

Zu guter Letzt kombinierten die Forscher alle möglichen Einfluss nehmenden Geräte in einem Testlauf zusammen – sie rechneten den Autarkiegrad für alle drei Gebäudetypen mit thermischem Speicher und Batteriespeicher. Der thermische Speicher wurde wiederum über eine SG-Ready-Schnittstelle mit Heizwasser aus überschüssigem Solarstrom gefüllt. Zuerst wandern die Stromüberschüsse jedoch in den Batteriespeicher, ehe sie der Ladung des thermischen Speichers dienen. Bei dieser Konstellation verringern sich denn auch die Abregelungsverluste der zehn Kilowatt großen Photovoltaikanlage auf unter vier Prozent.

Der Autarkiegrad lässt sich noch einmal geringfügig steigern und zwar auf über 50 bis nahezu 70 Prozent. Die Untersuchung zeigt, dass die Installation eines Batteriespeichers den größten Effekt zur Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils von Solarstrom hat, dahinter rangieren die Modulation der Wärmepumpe und zuletzt der Einbau eines thermischen Speichers in Verbindung mit der Ansteuerung über eine SG-Ready-Schnittstelle. „Hinsichtlich der praktischen Umsetzbarkeit hoher Autarkiegrade sind die vorgestellten Regelstrategien notwendig“, schreiben die Forscher der HTW, „hierbei sind die Hersteller von Wärmepumpen dazu aufgerufen, vorhandene Komunikationswege wie die „SG-Ready“-Schnittstelle weiter auszugestalten und zu konkretisieren.“

Ist die Photovoltaikanlage kleiner, fallen die Autarkiegrade geringer aus. Allerdings liegt der angenommene Stromverbrauch ohne den Bezug von Wärmepumpe und Heizstab mit 4.000 Kilowattstunden im Jahr auch relativ hoch. Für einen modernisierten Altbau und ein sehr effizientes Gebäude sieht der Eigenversorgungsanteil für drei unterschiedliche große Solargeneratoren wie folgt aus:

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Je größer der Solargenerator, desto höher der Autarkiegrad. Geht es nur um den Haushaltsstrombedarf, deckt er 30 bis knapp 40 Prozent ab. Wird der Strom auch zum Heizen genutzt, steigt der Eigenversorgungsanteil mit Nachtabsenkung, einer intelligenten Schnittstelle und einem Batteriespeicher. Grafik: HTW Berlin, Tjarko Tjaden

    Autor: Ines Rutschmann » 02.04.2015, 16:31
    Veröffentlicht in: Forschung, Praxis



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