Eine effiziente Kombination

Für Planer und Bauherren ist es wichtig, Gebäude zu errichten oder zu sanieren, die bzw. damit sie wenig Energie verbrauchen und die Restenergie weitgehend mit erneuerbaren oder effizienten Energietechnologien abdecken können. Wenn diese noch selbst erzeugt werden, braucht niemand gesetzliche Normen und deren zukünftige Verschärfung zu fürchten. Eine mögliche Kombination wird hier vorgestellt, und zwar Betrieb einer Wärmepumpe mit selbst erzeugtem Sonnenstrom. Ein Speicher kann zudem Schwankungen ausgleichen.

Das Potential dieser Kombination ist gewaltig. Schon heute werden 11 % des gesamten deutschen Stromverbrauchs von 524 TWh selbst erzeugt und verbraucht. Der Wohn- und Haushaltsbereich ist daran jedoch nur mit gut 2 % beteiligt. Haushalte und Wohngebäude sind jedoch Spitzenreiter beim Eigenverbrauch. Von dem 1,3 TWh erzeugten Solarstrom nutzen sie drei Viertel. Allein in den Eigenheimen, so Wissenschaftler, könnten 70 TWh pro Jahr verbraucht werden, was einer Leistung von 200 GW an PV-Anlagen entspräche.

Einer der Hauptverbraucher dieser Mega-Leistung wären Wärmepumpen. Sie können, gekoppelt mit einer PV-Anlage, die Wärmeversorgung einer Immobilie zu wesentlichen Teilen autark gestalten. Doch wie sieht das in der Realität aus? Hei­zungs­spe­zia­list Buderus hat ausgehend von marktfähigen und installierten Geräten Amortisationsphasen für Luftwärmepumpen errechnet (Tabelle 1).

Wirtschaftlichkeit von PV und Wärmepumpe

Die geringsten Investitionskosten fallen logischerweise bei einer reinen Wärmepumpenvariante an. Allerdings muss diese ihren Strom komplett aufs dem öffentlichen Netz beziehen. Selbst mit Sonderkonditionen für Wärmepumpenstrom, die seit 2014 wieder verstärkt bundesweit von verschiedenen Energieversorgern angeboten werden, liegen die Verbrauchskosten für Netzstrom mehr als doppelt so hoch wie bei einer Kombination mit einer PV-Anlage und etwa dreimal so hoch wie bei einer Einkopplung eines Speichers.

„Die Kombination mit einer PV-Anlage erweist sich in der Langfristbetrachtung als die günstigste Variante“, rechnet Buderus-Produktmanager Wolfgang Diebel. Selbst genutzter Eigenstrom ist heute schon für 0,10 bis 0,12 €/kWh zu produzieren – verglichen mit den günstigsten Wärmepumpentarifen der Energieversorger zwischen 0,20 und 0,25 €/kWh ein gewaltiger Preisvorteil. Angemerkt sei jedoch, dass sich beide Bilanzen schwer vergleichen lassen, weil bei einem Heizstromtarif ein Doppelzähler nötig ist und dann kein PV-Strom eingebunden werden kann. Und: Der Preisvorteil gilt natürlich nur dann, wenn wirklich eigener, überschüssiger Solarstrom zur Verfügung steht.

Auch politisch bleibt dieses Modell im finanziellen Vorteil, da der Strom aus PV-Kleinanlagen bis 10 kW_p auch mit dem neuen EEG nicht von Umlagen belastet wird. Gerade diese Umlagen sorgen jedoch im öffentlichen Netz für kontinuierliche Preissteigerungen. Wer sich davon weitgehend unabhängig machen will, muss einen E-Speicher einbinden. Die Investition ist jedoch etwas höher und liegt selbst bei einer in Anspruch genommenen Förderung um gut 7.000 € über der Kombination Wärmepumpe und PV.

Folge: Die Variante zeitigt trotz der geringeren Verbrauchskosten von Netzstrom über die betrachteten 20 Jahre höhere Gesamtkosten, ist aber immer noch günstig als ein reiner Wärme­pumpenbetrieb. Allerdings: Ob ein Lithiumspeicher über die 20 betrachteten Jahre hält oder seine volle Leistung bringt, ist noch nicht erwiesen. Das sollte bei solchen Berechnungen immer mit berücksichtigt werden.

Wie hoch der Deckungsgrad sein kann (siehe auch Interview mit Volker Quaschning), sollte eine Wirtschaftlichkeitsanalyse ergeben, in der auch, wie in der Tabelle gezeigt, einfließt, was an Stromproduktion gegen Vergütung ins Netz eingespeist werden kann. Auch die Strompreissteigerungen sollten berücksichtigt werden. Allein durch steigende EEG-Umlage und Netzentgelte ist hier eine kontinuierliche Verteuerung anzunehmen. Das allein schon spricht dafür, den Autarkiegrad so hoch wie möglich anzustreben.

Schwierige Amortisation bei Erd- und Solewärme

Die Amortisationsrechnung ist für Luftwärmepumpen im Neubau realistisch, für andere Wärmepumpenarten jedoch relativ: Eine Gasheizung (Brennwerttechnik) kostet inklusive Installation etwa 6.500 €, eine Erdwärmesonde gut das Vierfache. Eine Amortisation ist nicht zu erreichen, auch wenn die Erdwärmepumpe weitgehend wartungsfrei ist und eine deutlich längere Lebensdauer als eine Gasheizung hat.

Möglich sind auch Wasserwärmepumpen, die als effizienteste Wärmepumpen gelten. Der Grund ist: Sie nutzen ganzjährig die hohe Temperatur einer Quelle. Allerdings sind für diese Art von Wärmepumpen ein Saug- und ein Schluckbrunnen notwendig. Und sie kann nicht überall installiert werden, da der Untergrund mitbetrachtet werden muss. Hinzu kommen noch Genehmigungsfragen und Probebohrungen. Auch hier gilt: Eine Amortisation ist kaum möglich.

Wie kombinieren?

Nun zu ganz praktischen Erwägungen. Bei einer Kombination muss die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe an die Leistungsabgabe der Photovoltaikanlage angepasst sein. Nur so können der Eigenverbrauchsanteil und der Solarstromanteil der Wärmepumpe so groß wie möglich ausfallen. Allerdings können diese nicht die alleinige Größe sein. Denn auch bei einer Wärmepumpe mit schlechter Effizienz steigt der Eigenverbrauchsanteil. Deswegen sollte der Autarkiegrad des gesamten Energieverbrauchs eines Gebäudes im Vordergrund stehen. Er bildet besser ab, inwieweit man sich von Energieversorgern unabhängig machen kann.

Wie koppeln?

Eine einfache Kopplungsmöglichkeit für PV-Anlage und Wärmepumpe ist die Funksteckdose. Die „intelligente“ Ausführung misst automatisch die Leistungsaufnahme abhängig von Tageszeiten und lernt daraus, wann welche Energiemenge benötigt wird. Allerdings können sie keine Infos an einen thermischen Speicher senden.

Komfortgrenze einhalten

Abhilfe dafür könnte eine „SG-Ready“-Schnittstelle schaffen, nach der ein Großteil der marktgängigen Wärmepumpen zertifiziert sind, falls sie noch nicht über Standards wie etwa EEBus gesteuert werden können. Über ein entsprechendes Energiemanagement können hierbei verschiedene Betriebszustände eingestellt werden, vom Heizen über Warmwasserbereitung bis hin zum Ausschalten. Der große Vorteil: Batteriespeicher können in dieses System mit einbezogen und zum zentralen Schaltelement in Gebäude­ener­gie­systemen werden. Und: Speicher, etwa von E3DC, können heute schon Wetterdaten viertelstündlich einbinden und so den Betriebszustand der Wärmepumpe steuern – auch im Hinblick auf den möglichen Eigenverbrauch mit produzierten PV-Strom, falls dem Wetterbericht nach die Sonne ausreichend scheint.

„Intelligente“ Steuerungen

Die Steuerungen können jedoch nicht berücksichtigen, wie groß die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe ist, wenn sie eingeschaltet wird. Deswegen bedarf es einer Rückmeldung der Wärmepumpe an das Energiemanagementsystem. Lösungen hierfür gibt es etwa von SMA oder Viessmann, meist auf Basis von Modbus/TCP. „Auch SG-Ready oder die bereits im Haus installierte Kommunikationstechnik, etwa auf KNX-Basis, können dafür genutzt werden“, so Stefan Hagedorn, beim E-Speicherhersteller E3DC für die Geschäftsentwicklung zuständig.

Kommt ein E-Speicher hinzu, ist dieser gleich „intelligent“ geschaltet und sorgt dafür, dass die Reihenfolge der Strombezüge und Verbräuche immer gleich bliebt. „Zuerst wird der Strom für die Wärmepumpe immer aus der PV-Anlage genutzt, dann aus dem Speicher und erst zuletzt aus dem Netz“, so Stefan Hagedorn. Während man ohne Speicher und „intelligente“ Steuerung auf einen Eigenabdeckungsgrad von nur 20, maximal 30 % komme, seien mit dem Speicher bis zu 70 % drin. Es gebe sogar „sehr intelligent gesteuerte“ Anlagen, die es auf 80 % brächten.

Maximierung des Deckungsgrades

Um die Netzbezüge zu minimieren und hohe Deckungsgrade zu erzielen, muss die Wärmepumpe vorgeben, wie viel Leistung sie aufnehmen soll. Doch das hat auch wetterseitig und jahreszeitlich seine Grenzen. Denn an Tagen mit geringer Sonneneinstrahlung, etwa im Winter oder in der bewölkungsreichen Übergangszeit, braucht die Wärmepumpe immer mehr Energie als die PV-Anlage liefern kann. Die Speicher können hier maximal 48 h überbrücken, was an sonnenreichen Wintertagen sehr hilfreich sein kann. Dennoch wird hier meist der Netzstrom die nötige Energie liefern. 

Für die Planung gilt Folgendes: Je größer die PV-Anlage, umso besser die Abdeckung des Eigenverbrauchs. Wirtschaftlich, so Stefan Hagedorn, sei eine größtmögliche Abdeckung schon heute: „Wir kommen bei größeren PV-Anlagen auf unter 0,20 €/kWh für den Strom aus Speicher und Photovoltaik.“

Warmwasserspeicher notwendig

Ein Speicher fürs Warmwasser bleibt aber auch weiterhin notwendig. Durchlauferhitzer wären eine Lösung, bleiben aber ineffizient. Überschüssiger PV-Strom könnte bei einer „intelligenten“ Steuerung dazu genutzt werden, den Speicher statt auf 45 auf 60 °C aufzuheizen. Voraussetzung hierfür ist allerdings eine Warmwasser-Wärmepumpe, die speziell für die Erzeugung von Warmwasser ausgelegt ist, oder eine Wärmepumpe mit Warmwasserfunktion, die heute schon meist Standard ist.

Auch das rechnet sich schon: Solarstrom wird, wie schon beschrieben, für den Eigenverbrauch mit einem Aufwand von etwa 0,10 bis 0,12 €/kWh produziert. Die Warmwasser-Wärmepumpe kann aus 1 kWh etwa 3 kWh Warmwasser bereitstellen – macht 0,04 €/kWh. Eine Gas-Brennwerttherme verbraucht bei gut 95-%-igem Wirkungsgrad 1 kWh Erdgas zum Preis von etwa 0,06 € für 1 kWh Warmwasser. Der kWh-Preis läge also bei knapp 0,06 €.

Ein Speicher würde den Eigenstrom zwar verteuern, aber auch die Netzbezüge reduzieren. „Für einen privaten Haushalt lassen sich mit einer Photovoltaikanlage in unseren Breiten ohne Speicher kaum mehr als 30 % Selbstversorgungsgrad realisieren. Bei Einsatz eines elektrischen Speichers lassen sich die Sommernächte und Teile der Übergangsjahreszeiten überbrücken, folglich werden 50 bis 60 % möglich“, rechnen die Autoren des regierungsnahen ThinkTanks Agora Andreas Jahn und Matthias Deutsch. Ein Speicher macht also durchaus Sinn.