Photovoltaik und Wärmepumpe

Fossile Energie ist aktuell günstig doch, wer auf die Zukunft setzt, sollte sich mit Alternativen beschäftigen. Eine Option, um nachhaltig und unabhängig von fossilen Brennstoffen Wärme zu erzeugen, ist die Wärmepumpe. Laut des Bundesverbandes Wärmepumpen e.V. stiegen die Absatzzahlen von 2016 bis 2017 um rund 17 % auf ca. 87.000 Einheiten. Ein Grund mehr sich die Technologie und den praktischen in Kombination mit einer Photovoltaik-Anlage genauer anzusehen.

Technik der Wärmepumpe im Alt- und Neubau

Das Prinzip der Wärmepumpen lässt sich einfach zusammenfassen: 25% Strom als Antriebsenergie und 75% Wärmegewinnung aus Luft, Wasser oder Erde. Die Wärmepumpe entzieht der Umgebung dabei Wärme und gibt sie als Heizenergie an das Haus ab. Dieses physikalische Prinzip nennt man auch Joule-Thomson-Effekt. Welche Wärmepumpenvariante zum Einsatz kommt, hängt vom jeweiligen Gebäude, dessen äußeren Begebenheiten und natürlich von den Wünschen des Betreibers ab. Besonders effektiv werden Wärmepumpen in Neubauten integriert. Sie nutzen einen hohen Anteil an Umweltwärme und erreichen mit diesem System die besten Energieklassen.

Im Altbau ist der Einsatz einer Wärmepumpe in erster Linie von der Qualität der Gebäudehülle abhängig. Wichtig ist hier, dass wenig Wärmeenergie aus dem Gebäude dringt. Dass die Wärmepumpe nur mit einer Flächenheizung effizient ist, ist dagegen ein Vorurteil, das sich nicht bestätigt. Oftmals macht es Sinn, die vorhandene Öl- oder Gasheizung zu belassen und diese dann als unterstützendes Element für die Wärmepumpe einzusetzen.

Antriebsenergie vom Dach

Einen Haken gibt es bei der Wärmepumpe – sie kommt nicht ohne Strom aus. Und die Strompreise sind aktuell hoch, mit der Tendenz weiter zu steigen. Es gibt bei manchen Stromanbietern noch sogenannte Wärmepumpenstromtarife, diese sind aber nur für eine begrenzte Zeit garantiert und können sich danach erhöhen. Um diesen Kostenfaktor abzufedern und einen Niedrigenergiestandard zu erreichen lohnt sich oftmals seine PV-Anlage. Die erzeugte PV-Energie wird abhängig von der Sonneneinstrahlung und dem Bedarf der Wärmepumpe für deren Betrieb verwendet.

Um eine reibungslose und effiziente Versorgung der Wärmepumpe mit Sonnenenergie zu gewährleisten, gibt es sogenannte Energie-Management-Systeme, wie  den Solar-Log. Er erfasst die produzierte PV-Energie und den aktuellen Verbrauch im jeweiligen Gebäude bzw. Objekt. Er ermittelt aus diesen Werten, ob ein Energieüberschuss – also die Einspeisung ins Netz – vorhanden ist und wenn ja, wie hoch dieser ist. Liegt ein Überschuss vor, kann die Wärmepumpe automatisch vom Energiemanager aktiviert werden. Das Zuschalten der Wärmepumpe ist dabei an bestimmte Parameter gekoppelt, wie ein voreingestellter Schwellwert, eine Tageszeit oder Mindestlaufzeit. Diese Parameter lassen sich individuell an die verwendete Wärmepumpe und das Komfortbedürfnis des Eigentümers anpassen.

Wärmepumpenbetrieb über ein Energie-Management-System

Um die Wärmepumpe mit dem Energie-Management-System Solar-Log zu koppeln und ansteuern zu können, gibt es zwei Wege.
Die erste Option, welche oftmals für ältere Wärmepumpenmodelle in Frage kommt, ist die Kopplung über das EVU-Sperrsignal. Dieses Signal kann bei Verzicht auf einen speziellen Wärmepumpen-Tarif durch den Solar-Log generiert werden. Je nach PV-Überschuss und eingestelltem Schwellwert gibt hierbei das Management-System die Wärmepumpe frei oder sperrt sie. Der Schwellwert richtet sich nach der Leistungsaufnahme der jeweiligen Wärmepumpe und lässt sich über das Management-System konfigurieren.

Die zweite Option ist eine mehrstufige Ansteuerung über sogenannte SG Ready Eingänge. Viele aktuelle Wärmepumpenmodelle verfügen über diese potenzialfreien Eingänge und können somit an ein intelligentes Stromnetz angeschlossen werden. Über eine spezielle Smart-Energy Steuerlogik generiert der Solar-Log ein Bitmuster, um verschiedene Betriebszustände der Wärmepumpe anzusteuern. Hierbei sind grundsätzlich vier Stufen möglich, wie z. B. es gibt keine Energie, es steht Energie für den Normalbetrieb zur Verfügung oder es gibt mehr Energie für einen forcierten Betrieb der Wärmepumpe. Im forcierten Betrieb sind wiederum zwei Stufen vorgesehen: In der ersten Stufe wird die Temperatur im Speicher erhöht.

In der zweiten kann die Temperatur in weiteren Speichern erhöht werden. Speicher können hier z. B. ein Brauchwasser-Pufferspeicher sein, aber auch die Gebäudehülle an sich speichert Wärme für eine gewisse Zeit und kann als Speicher dienen. Dank dieser intelligenten Ansteuerung wird ein sehr individueller und an die Bedürfnisse des Betreibers angepasster Betrieb der Wärmepumpe mit PV-Energie möglich.

Beispiel aus der Praxis – PV und Wärmepumpe im Altbau

Die Feinabstimmung des Wärmepumpenbetriebes kommt zum Einsatz, wenn mehrere Verbraucher von der PV-Anlage gespeist werden sollen oder die Grundvoraussetzung für einen Wärmepumpenbetrieb nicht ideal sind – wie bei vielen Bestandsbauten. Diese bergen in der Regel bei der Planung und Integration einer Wärmepumpe mehr Herausforderungen wie Neubauten. Im Fokus steht dabei, ob sich die Investitionen lohnen und wie groß der Wunsch nach Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen ist. Herr Recktenwald aus Geislingen hat sich zu diesem Schritt entschlossen und seine Öl-Heizung durch eine Wärmepumpe ersetzt.

Die Energie für die Wärmepumpe sollte zum Teil eine neue PV-Anlage erzeugen. Dabei waren die Voraussetzungen für diese Umrüstung erdenklich schlecht. Sein Einfamilienhaus von 1988 besitzt einen Wärmedämmwert von 0,41 und verfügt nur teilweise über Flächenheizungen. Die Dämmung des fast 30 Jahre alten Hauses und die Heizkörper sollten aber nicht verändert werden. So wurde die Investition von rund 36.000 € (abzüglich der staatlichen Zuschüsse) für eine 11,73 kWp große PV-Anlage und eine Wärmepumpe verwendet. Die Umrüstung war unter dem Strich ein voller Erfolg, denn nach der Inbetriebnahme der Wärmepumpe konnte Herr Recktenwald seine jährlichen Energiekosten von rund 4.500 € auf 1.300 € reduzieren. Damit haben sich die Investitionen innerhalb von ca. 10 Jahren amortisiert.

Vorausschauender Betrieb mit Wetterdaten

Damit dieser Plan aufgeht, ist ein reibungsloser und störungsfreier Betreib von PV-Anlage und Wärmepumpe notwendig. Um diesen zu gewährleisten hat sich Herr Recktenwald für das Energie-Management-System Solar-Log entschieden. Das System überwacht den Ertrag der PV-Anlage und steuert die angeschlossenen Verbraucher, je nach PV-Überschuss und jeweiliger Konfiguration, entsprechend an. Dabei erfasst das System nicht nur Fehlfunktionen bzw. Störungen der PV-Anlage, sondern auch der Wärmepumpe und sendet diese ggf. per Mail an den Betreiber.

Zusätzlich erfasst das Solar-Log System lokale Prognose- und Wetterdaten. Die Wetterdaten werden hierzu stündlich und bereits für zwei Tage im Voraus errechnet. Die darauf basierenden Wetterprognosen ermöglichen eine intelligente und vorausschauende Steuerung der Wärmepumpe. In der Praxis kann dann z. B. die Wärmepumpe so eingestellt werden, dass wenn die Prognose viel Sonne ab 10 Uhr vorhersagt, die Wärmepumpe erst um 10 Uhr gestartet wird. Damit vermiedet man, dass die Wärmepumpe ihre Antriebsenergie unnötiger Weise aus dem Stromnetz bezieht.

Wohin geht die Reise – Smart Home

Das Ziel ist klar, die Wege dorthin können sehr unterschiedlich sein. Öl und Gas sind momentan preislich noch attraktiv, aber ihre Stunden sind gezählt. Knappheit und ein damit hergehender Preisanstieg sind vorprogrammiert. Der Markt hat das schon länger erkannt und bietet heute zahlreiche Lösungen, die weg von fossilen Brennstoffen führen. Damit sich die „alternativen“ Produkte durchsetzen, gilt es viele Punkte zu berücksichtigen.

Der eigentliche „Kundenberater“, ob Heizungsbauer, Elektromonteur, Solarteur etc., muss über ein breites Wissen verfügen. Es sind Allrounder mit Fachkenntnissen gefragt, die die verschiedenen Komponenten, wie Gebäude, Verbraucher, Energieerzeuger, genau kennen. Der Fokus liegt dabei auf dem Zusammenspiel dieser Komponenten und deren exakter Abstimmung auf die individuellen Bedürfnisse der Kunden. Sie sollten einfach und zentral zu bedienen sowie zu überwachen sein. Und nicht zuletzt natürlich preislich konkurrenzfähig mit Gas und Öl sein. Sind diese Punkte erfüllt, ist der Weg für das so oft genannten „Smart Home“ frei.