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Solarheizung mit Wärmepumpe und Photovoltaik: geht das doch?

Erschienen 2020-12-04 im RP-Energie-Blog (als E-Mail-Newsletter erhältlich!)

Permanente Adresse: https://www.energie-lexikon.info/rp-energie-blog_2020_12_04.html

Autor: , RP-Energie-Lexikon, RP Photonics Consulting GmbH

Inhalt: Ein Erfahrungsbericht aus Rheinland-Pfalz zeigt, dass ein großer Teil des Stroms für eine Wärmepumpenheizung mit Photovoltaik gedeckt werden kann. Allerdings bleibt das Problem der saisonalen Speicherung weiterhin ungelöst, weswegen ein Durchbruch der solaren Wärmepumpenheizung damit nicht erreicht ist.

Rüdiger Paschotta

Ich bin gerade bei ee-news auf einen Erfahrungsbericht gestoßen über ein Plusenergie-Einfamilienhaus in Rheinland-Pfalz. Hier wird das überraschende Resultat berichtet, dass der Strombedarf der Wärmepumpe ganzjährig zu ca. 70 % solar gedeckt werden kann. Normalerweise ist das Problem der Solarheizung ja, dass Sonnenenergie immer gerade dann am wenigsten verfügbar ist, wenn man sie am dringendsten für das Heizen benötigt, und dass dies durch Strom- oder Wärmespeicher sehr schwer zu lösen ist. Von daher ist es interessant zu analysieren, wie bzw. ob das wirklich funktioniert und wie es zu bewerten ist.

Heizwärmebedarf

Zunächst einmal handelt es sich um einen Neubau mit niedrigem Heizwärmebedarf durch eine gute Wärmedämmung. Dies ist auch der richtige Ansatz: Erst mal muss der Wärmebedarf minimiert werden, bevor man diesen dann durch aufwändige Technik deckt. Extrem niedrig ist der Wärmebedarf hier (11.000 kWh pro Jahr) allerdings nicht; unser eigenes Haus aus den 1950er Jahren mit umfassender energetischer Sanierung vor zehn Jahren liegt trotz vermutlich größerer Wohnfläche nicht massiv höher. Für einen Neubau würde ich einen eher noch niedrigeren Wert anstreben – in Richtung Passivhaus.

Wärmepumpe

Der Wärmebedarf wird dann weitgehend durch eine Elektrowärmepumpe gedeckt, und zwar mit einem Direktverdampfer-Erdregister. Dies ist eine in der Tat besonders effiziente Art von Wärmepumpenheizung, nur leider mit dem Nachteil, dass eine recht große Menge Kältemittel benötigt wird (um damit das gesamte Erdregister zu füllen), und dass dies je nach gewähltem Kältemittel unter Umständen die Gefahr einer massiven Klimaschädigung im Falle eines Lecks mit sich bringt.

Die Wärmeabgabe über eine Fußbodenheizung (was für Neubauten heute mehr oder weniger Standard ist) trägt natürlich zu guten Jahresarbeitszeit der Wärmepumpenheizung stark bei. In diesem Punkt sind Altbauten bei der Sanierung häufig stark im Nachteil.

Solaranlage mit Solarstromspeicher und Energiemanagement

Die Photovoltaikanlage auf dem großen Schrägdach hat eine Nennleistung von 16,8 kW. Zusätzlich wurde ein Solarstromspeicher mit einer Batteriekapazität von 9,2 kWh eingebaut. Das Energiemanagement des Hauses wurde umfassend optimiert, sodass vom erzeugten Solarstrom prioritär der Haushaltsstrombedarf inklusive Wärmepumpe gedeckt wird, dann ein Heißwasserspeicher und ein Heizung-Pufferspeicher elektrisch aufgeheizt wird; erst was dann immer noch übrig bleibt, wird in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Energiebilanz

Die Energiebilanz des Gebäudes wird mit einem umfassenden System von Sensoren erfasst und von den Besitzern genau analysiert. Es ergab sich, dass die Wärmepumpe über ein Jahr hinweg 3122 kWh verbraucht hat, wovon 2227 kWh (rund 70 %) mit Solarstrom abgedeckt werden konnten – entweder aus direkter Produktion oder über den Batteriespeicher. Nur zusätzliche 895 kWh mussten für die Wärmepumpe zusätzlich eingekauft werden, während andererseits zu anderen Zeiten insgesamt 12.790 kWh in das Netz eingespeist wurden.

Bewertung und Fazit

Das zentrale Resultat von 70 % Deckung des Wärmepumpenstroms mit Photovoltaik ist zunächst einmal beeindruckend. Allerdings fällt natürlich auf, dass der Wärmepumpe eine ziemlich große Photovoltaikanlage gegenübersteht, die über das Jahr eine weitaus größere Energiemenge erzeugt. Dies führt dazu, dass weitaus mehr Strom als Überschuss in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird, als man für die Wärmepumpe einsetzen kann. Dies trotz Einsatz des Solarstromspeichers, dessen Kapazität bei gutem Wetter ja nicht einmal eine einzige Tagesproduktion aufnehmen kann. Offenkundig kann dieser Speicher nur einen gewissen Ausgleich innerhalb eines Tages schaffen – etwa für die Heizung in den Abendstunden mit tagsüber gewonnener Energie –, aber keineswegs zwischen den Jahreszeiten. Batteriespeicher sind als saisonale Speicher eben grundsätzlich ungeeignet.

Eine wichtige Frage ist, ob wir das Problem der Heizung landesweit lösen könnten, indem es alle so machen – zumindest für den Sektor der Neubauten. Die Antwort ist leider nicht so positiv: Wir würden im Sommer Unmengen von dann schwer verwertbarem Solarstrom erzeugen und bräuchten im Winter immer noch einiges aus anderen Quellen. Das wird früher oder später auch wieder dazu führen, dass die Politik dem Ausbau der Photovoltaik eine Grenze setzt (wie früher mit dem 52-GW-Deckel).

Obwohl ich das Projekt durchaus interessant finde, sehe ich darin also keineswegs den Durchbruch für das Konzept der solaren Wärmepumpenheizung. Es bleibt nach wie vor das Problem, dass das saisonale Profil der Erzeugung aus Photovoltaik einfach nicht zum Heizstrombedarf passt und saisonale Stromspeicher zur Lösung dieses Problems nicht zur Verfügung stehen. Wohlgemerkt würde selbst eine weitere massive Kostensenkung bei den Batteriespeichern dies nicht ändern.

Wesentlich besser passt die Charakteristik der Windstromerzeugung zum Heizwärmebedarf. In Mitteleuropa bringt die Windkraft im Winter mehr ein als im Sommer, also recht gut passend. Zwar ist auch im Winter das Angebot recht unstetig, aber da ließe sich mit einem Lastmanagement einiges erreichen. Ich gehe davon aus, dass zukünftig ein großer Teil des Wärmebedarfs so gedeckt werden kann.

Es gibt übrigens noch einen ganz anderen technischen Ansatz, der beispielsweise in Dänemark schon vielerorts verfolgt wird. Hier verwendet man Solarthermie in Verbindung mit großen Wärmespeichern – aber eben nicht auf Ebene einzelner Häuser, sondern gemeinsam errichtete ganze Wohngebiete mit einem Nahwärmenetz. Damit kann man immerhin ohne weiteres die Hälfte des Wärmebedarfs solar decken, teils sogar noch deutlich mehr; zusätzlich lassen sich dann noch Wärmepumpen einsetzen, oder andere Option wie z. B. Holz oder andere Biomasse (mit zentraler Feuerung und guter Abgasreinigung, also umweltfreundlich und kostengünstig). Aber natürlich ist dies keine Option, die man als Hausbesitzer selbst schaffen kann. Wir sind eben angewiesen auf eine Energiepolitik, die die richtigen Weichen stellt – die aber beispielsweise in Deutschland immer noch fehlt, trotz aller Bekenntnisse zum Klimaschutz.

Am Ende möchte ich nochmals betonen, dass die Höhe des Heizwärmebedarfs die wohl entscheidendste Größe ist. Für einige tausend Kilowattstunden pro Haushalt sollte man immer eine akzeptable Lösung finden können. Das Problem liegt vielmehr in den unsanierten Altbauten, wo oft zigtausende von Kilowattstunden pro Jahr erzeugt werden müssen, und dies noch auf einem für Wärmepumpen ungünstig hohen Temperaturniveau. Leider wird die Sanierung solcher Häuser oft jahrzehntelang verschoben, obwohl sie früher oder später ohnehin geschehen muss, soweit das Objekt nicht ein Kandidat für einen baldigen Abriss ist. Dieses Vor-sich-her-Schieben ist wohlgemerkt auch nicht wirtschaftlich, da der Nutzen einer späteren Sanierung ja dann für entsprechend weniger Betriebsjahre entsteht. Wer ein solches Objekt umfassend saniert und damit einerseits den Heizwärmebedarf drastisch senkt und andererseits auch das nötige Temperaturniveau, hat für die Energiewende meines Erachtens mehr getan als durch Neubau eines noch so energetisch günstigen Hauses.

Dieser Artikel erschien als Teil des RP-Energie-Blogs von Dr. Rüdiger Paschotta. Sie können Links auf diese Seite setzen, da ihre Adresse permanent ist, und die Seite auch zitieren. Siehe auch das RP-Energie-Lexikon.

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Fragen und Kommentare von Lesern

09.01.2021

In Kandersteg (1200 müM) in der Schweiz liegt seit Dezember Schnee. So auch auf der großen Solaranlage auf dem Dach der Kunsteisbahn (400 kW peak). Seit Dezember liefert die Anlage keinen Strom. Meine Schlussfolgerung: Solarenergie muss parallel mit anderen Energieformen gestützt werden können. Ich verstehe nicht, wie viele Leute eine Energiewende mit Solarenergie ohne den Beitrag konventioneller Energien als Lösung postulieren können.

Antwort vom Autor:

Zunächst einmal ist es eine Selbstverständlichkeit, dass man sich mit Photovoltaik allein schwerlich versorgen kann. Das gilt für die meisten anderen Energiequellen übrigens auch, wenn auch aus unterschiedlichen Gründen.

Normalerweise ist es auch kein riesiges Problem, eine Schneebedeckung zu vermeiden oder wenigstens zu minimieren. Auf vielen steileren Dächern rutscht der Schnee von selbst ab, oder man kann mit nicht allzu komplizierten technischen Maßnahmen etwas unternehmen. Vielleicht war es einfach im konkreten Fall einfach nicht so schlau, eine große Solaranlage auf ein zu flaches Dach zu setzen, wo der Schnee zu viel von der Jahresproduktion kaputt macht. Ein grundsätzliches Argument gegen Photovoltaik ergibt sich daraus sicherlich nicht.

26.07.2021

Die Lösung des Problems: PV-Strom per Elektrolyse in H2-Flaschen zwischenspeichern und per Brennstoffzelle in Strom zurückwandeln. Bei beiden Prozessen wird die sonst verlorene Abwärme für WW und Heizen genutzt.

Antwort vom Autor:

Ja, so geht es im Prinzip – aber mit sehr hohen Kosten, weit entfernt von jeder Wirtschaftlichkeit. Ein echter saisonaler Speicher dieser Art wäre wohl unbezahlbar.

27.07.2021

Kommentar zu: https://www.energie-lexikon.info/rp-energie-blog20201204.html

Ich stimme ihrer Analyse zum großen Teil zu, möchte aber noch ein paar Aspekte hinzufügen, die vielleicht von Interesse sein könnten (ich beschäftige mich unter anderem mit dem Thema, weil ich zeitnah meine Gasheizung durch eine klimaneutrale Heizung ersetzen möchte).

1) Mit PV kommt man kaum autark durch den Winter, obwohl viel mehr möglich ist, als man so denken würde: wenn man wirklich JEDE Fläche seines Hauses für PV nutzt, also auch die Fassade und sogar die Nordseiten, sind auch im Winter erstaunliche Leistungen möglich. Habe so ein Haus in einem der einschlägigen Foren gesehen, und muss aber dazu sagen: schön schaut das nicht aus, aber immerhin scheint es zu funktionieren. Hier gibt es aber noch viel Potential, wenn z.B. einmal Fassadenelemente zu einem leistbaren Preis verfügbar werden, die sowohl Dämmung als auch Energieerzeugung als auch Gestaltung übernehmen können. Entsprechend der Auswertung meiner PV-Anlage, gibt es ja nur wenige Tage, an denen gar kein Strom erzeugt wird, diese können mit Kurzzeitspeicher (Batterie- oder Wärmepufferspeicher) überbrückt werden.

2) Das “Problem” der Nutzung des sommerlichen Überschuss-Stroms einer derart (für den Sommer) “überdimensionierten” Anlage ist gar kein Problem, wenn man es unabhängig von der saisonalen Speicherung betrachtet: Wasserstoff ist zwar teuer, es gibt aber Anwendungen für Wasserstoff, die alternativlos sind, z.B. in der Stahlerzeugung. Hier findet Überschusstrom auch von privaten PV-Anlagen sehr wohl Verwendung (auch wenn er nicht für die Heizung im Winter genutzt werden kann), Die Netzbetreiber müssen nur sorgen, dass die Infrastruktur dafür ausgelegt ist, dass der Überschuss-Strom von den (teils privaten) Erzeugern auch zu den Elektrolyseuren kommt (die es in industriellem Maßstab noch gar nicht gibt). Das bedeutet: Überschussstrom ist nie ein Problem, solange es Anwendungen gibt, die diesen in speicherbare Form bringen können. Dabei ist aber die Motivation entscheidend: Wasserstoff zu erzeugen, nur um es (für den Winter) speichern zu können, ist zu teuer und zu ineffizient, da stimme ich zu. Wenn Wasserstoff als Selbstzweck erzeugt wird (z.B. Stahlindustrie), dann liegt es nahe, diesen im Sommer zu erzeugen, den Überschuss zu speichern, und im Winter den gespeicherten Wasserstoff wieder zur Stahlerzeugung zu verwenden. Wenn man schlau ist, nutzt man dann auch die Abwärme aus der Stahlerzeugung und stellt sie im urbanen Raum als Fernwärme zur Verfügung, womit die ganze Sache noch weitaus effizienter wird (Sektor-Kopplung!). Ich kenne die Werte von Deutschland nicht, aber würde in Österreich die VOest ihre Stahlerzeugung ganz auf Wasserstoff umstellen, würde zusätzlich 30% des heutigen österreichischen Strombedarfs benötigt. Also besteht genug Bedarf für Überschusstrom, und man kann nur den Aufruf Volker Quaschnings hier wiederholen: macht die Dächer voll!

3) Individualismus überwinden: die Zersiedelung ist ja bekanntlich in vielerlei Hinsicht problematisch. Aber gerade auch beim Thema Energieeffizienz und Amortisation hat das Mehrfamilienhaus deutlich die “Nase vorne” vor dem Einfamilienhaus:

  • weniger Dämmkosten pro m3 Wohnraum
  • weniger Investitionskosten z. B. für Photovoltaik
  • geringere Amortisationszeiten durch höhere Eigennutzung

Ich habe mich mit meiner Frau vor 30 Jahren dazu entschieden, den Familiensitz in ein Mehrgenerationen-Haus (3 Haushalte, 4 Generationen) umzubauen und es bisher nicht bereut. Sowohl die Solarthermie-Anlage (seit 10 Jahren) als auch die PV-Anlage (seit 2 Jahren) amortisieren sich weitaus schneller als berechnet bzw.erhofft. Überdies ist der positive soziale Aspekt zu betonen (sofern man sich mit seiner Familie versteht).

4) Größere Wärme-Pufferspeicher: die Auslegung des Puffers ist meistens zu klein. Er deckt vielleicht 2-3 Regentage beim Warmwasser ab, aber für die Raumheizung ist der Puffer meist schon viel früher erschöpft. Hier sollte man - zumindest beim Neubau - viel großzügiger planen, um einen möglichst großen Teil der “Dunkelzeit” (Mitte November bis Ende Dezember) überbrücken zu können.

5) Windenergie nutzen, wenn PV “auslässt”: gerade im Winter steht sehr oft sehr viel Windenergie zur Verfügung. Wenn dies auch keine autarke Energiequelle ist, so ist es doch Klima-neutral und kann die Lücken in der Eigenversorgung gut ausgleichen.

6) Stromanbieter wählen, der intelligente Lastverschiebungen zulässt: die Firma aWATTar z. B. bietet stündliche Tarife an, die ab 14:00 des Vortages festgelegt werden. Gerade im Winter gibt es nicht wenige Tage, wo in der Nacht die Preise ins Negative rutschen (vorallem am Wochenende). Immer mehr Anbieter von Wärmepumpen oder Smart Automation Systemen bieten eine Schnittstelle zum aWATTar-API an, sodass z. B. eine Wärmepumpe den Pufferspeicher genau dann aufheizt, wenn der Tarif günstig ist. Damit spart nicht nur der Konsument, sondern dies ist auch ein wichtiger Beitrag zur Netzstabilisierung.

7) Biomasse-KWKs nutzen: Kraft-Wärmekopplungs-Anlagen, basierend auf Bio-Masse (meist Holz-Pellets), werden immer kleiner. Es gibt schon einige Anbieter, die kleinste Anlagengrößen für 2-3-Familienhäuser anbieten. Die österreichische Firma ÖkoFen hat aber ein System mit Stirling-Motor, welches sogar für Einfamilienhäuser geeignet ist. Das ist vielleicht keine Lösung für die Welt, aber Pellets werden in Österreich ausschließlich aus Abfällen aus der Möbelindustrie (aus heimischem Holz) gefertigt, und die Österreichische Forstbewirtschaftung ist schon seit Jahren nachhaltig (die Waldflächen sind in den letzten Jahren sogar gestiegen). Die thermische bzw. energetische Nutzung von holz in Europa ist derzeit nicht ganz unumstritten. Aber in Ländern, wo die nachhaltige Forstbewirtschaftung garantiert wird, eine akzeptable Lösung, denke ich.

Es gibt hier also mehrere Möglichkeiten, aber alle diese sollten immer mit PV kombiniert werden, und dabei sollte man ohne Scheu “überdimensionieren” wenn es die Situation (Haus und finanzielle Mittel) zulässt. Was heute als “überdimensioniert” bezeichnet wird, ist morgen vielleicht ein Teil der Lösung der Klimakrise.

Darum: macht die Dächer voll!

Antwort vom Autor:

Zum größeren Teil bin ich einverstanden, teils auch nicht. Ich möchte hier nur drei Punkte kurz kommentieren:

  • Photovoltaik auf der Nordfassade ist wegen der grauen Energie problematisch, natürlich auch wegen der Kosten.
  • Wärmespeicher für längere Zeiten sind im kleinen Maßstab schwer wirtschaftlich realisierbar. Im größeren Maßstab – etwa für ein ganzes Wohngebiet – sieht es weitaus besser aus. Das wäre aus meiner Sicht eine gute Richtung: nicht alles auf der Ebene einzelner Häuser regeln.
  • Die Idee mit Wasserstoff für die Stahlindustrie wird kaum funktionieren, da saisonale Speicher für Wasserstoff vermutlich schwer realisierbar sind. Die saisonalen Schwankungen bleiben aus meiner Sicht ein ungelöstes Problem, weswegen insgesamt der Lösungsbeitrag der Photovoltaik leider begrenzt bleiben wird. Die sommerliche Produktion wird einfach relativ wenig wert sein.

27.07.2021

Neubau mit niedrigen Wärmeverlusten ist relativ billig, nachträgliche Ausstattung mit guter Wärmedämmung und Niedertemperaturheizung hingegen meist kostspielig. Diese Ausgaben sind aber unvermeidbar, denn die Emissionen müssen auf Null gebracht werden und die Erzeugung der erneuerbaren Energie mag zwar kostenmäßig konkurrenzfähig sein, verursacht aber beträchtlichen Landschaftsverbrauch. Gibt es Entwicklungen, gute Wärmedämmung zu verbilligen, durch mehr Rationalisierung, digitale Methoden oder ähnliches? Jedenfalls werden die Hausbesitzer wohl staatliche Hilfe benötigen, um diese Ausgaben zu stemmen, und der Staat seinerseits muss das Geld über Steuern einnehmen.

Auch die nachträgliche Errichtung von Wärmenetzen um eine saisonale Speicherung zu ermöglichen ist teuer – es wäre interessant, abzuschätzen, ob sie nicht dennoch billiger ist als eine entsprechende Menge von Lösungen für die einzelnen Häuser. Die saisonale Speicherfähigkeit ist für das gesamte Stromsystem von großem Vorteil, weil eine Menge Schwankungen des Bedarfs ausgeglichen werden. Billige Wärmespeicherung ersetzt teure Stromspeicherung (zum Teil).

Antwort vom Autor:

Das muss eben jeweils im Einzelfall analysiert werden; allgemein gültige Aussagen machen hierzu wenig Sinn.

Hier können Sie Fragen und Kommentare zur Veröffentlichung und Beantwortung vorschlagen. Über die Annahme wird der Autor des RP-Energie-Lexikons nach gewissen Kriterien entscheiden. Im Kern geht es darum, dass die Sache von breitem Interesse ist.

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