Der Artikel kompakt zusammengefasst
Unverkennbar wachsen Strom und Wärme seit Jahren zusammen. Das augenscheinlichste Beispiel dafür ist die Wärmepumpentechnik. Kommt die Antriebsenergie Strom zu 100 % aus regenerativen Quellen, so ist auch die daraus resultierende Wärme CO2-neutral.
Die CO2-Bilanz spielt zunehmend eine größere Rolle in Bezug auf die Wertigkeit einer Immobilie und deren Betriebskosten. Der Umstieg auf regenerative Erzeugungstechnologien wie etwa Wärmepumpen/Kältemaschinen ist mit größeren Investitionskosten verbunden. Deshalb unterstützt der Staat diese Transformationen mit attraktiven Fördermitteln, die immer an Bedingungen gebunden sind.
Das Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (Bafa) gibt die zu verwendenden Werte in Bezug auf die CO2-Faktoren vor, die für viele Förderprogramme heranzuziehen sind. Die Anpassung der CO2-Faktoren erfolgt halbjährlich auf Basis der aktuell verfügbaren Daten, welche sich auf den Heizwert der Energieträger beziehen. Sollte der Energieverbrauch brennwertbezogen vorliegen, ist dieser zunächst umzurechnen.
Doch woher kommt denn die Antriebsenergie für den elektrischen Verdichter? Aus einer Grafik des Statistischen Bundesamtes (Bild A) wird deutlich, dass bereits im dritten Quartal 2022 der regenerative Anteil an der Stromerzeugung in Deutschland fast 45 % betragen hat. Die regenerative Stromerzeugung ist die einzige Chance, um langfristig die Schwankungsbreite der Energiekosten in einem engeren Band zu halten. Daher ist es sowohl für die private Wohnungswirtschaft als auch für Unternehmen wichtig, in eine eigene regenerative Stromerzeugung zu investieren.
Bild: Statistisches Bundesamt (Destatis), 2023
Systemnutzen Wärme und Strom
Durch den hohen Anteil an volatilen (schwankenden) regenerativen Stromerzeugern im deutschen Strommix, wie Windkraft und Photovoltaik, benötigt man flexible, schaltbare Abnehmer. Wärmepumpen können beim Ausgleich von Stromangebot und -nachfrage als eine Art Puffer dienen und Lastspitzen glätten helfen.
Das Ziel ist also eine zeitliche Entkopplung bzw. Entzerrung des Strombezugs aus dem öffentlichen Netz und der Wärmeerzeugung für das Gebäude. Diese erfordert mehrere Bausteine wie Wärme- und Stromspeicher, fernsteuerbare Verbraucher und intelligente Stromzähler.
Das System aus Photovoltaik, elektrischer Wärmepumpe, thermischem Speicher und/oder einer Batterie sowie Elektromobilität (Bild B) ist für viele Endverwender sehr attraktiv, weil es u. a. die folgenden Aspekte einschließt:
Steuerung von Speicherung und Verbrauch
Bei Stromüberschuss durch die hauseigene Photovoltaikanlage wird die Wärmepumpe zwangseingeschaltet und überfährt die eingestellten Sollwerte beispielsweise im Heizwasser-Pufferspeicher oder Trinkwarmwasserspeicher. So wird günstiger Überschussstrom in Wärme eingelagert. Diese Art der Lastverlagerung gilt auch rückwärts, wenn die regenerativen Stromerzeuger schlafen. Dann zieht das Gebäude Wärme aus den jeweiligen Wärmespeichern und der Verdichter bleibt erst einmal aus.
Der Multi-Utility-Controller (MUC, siehe Bild B) steuert die Speicherung und den Verbrauch des gesamten Systems. Je nach Energiemanager und Verbraucher kann die Ansteuerung mittels schaltbarem Freigabekontakt an der Wärmepumpe (SG-ready-Schnittstelle), schaltbaren Steckdosen oder über eine modulierende Ansteuerung entsprechend der zur Verfügung stehenden Energie erfolgen (z. B. leistungsgeregelte Wärmepumpensysteme und modulierende Elektroheizstäbe).
Bild: Bundesverband Wärmepumpe (BWP)
Im MUC werden dann verbraucherspezifische Kenndaten wie Schaltschwelle (ab welchem Wert in kWel soll der Kontakt geschaltet werden) und Freigabedauer bzw. Mindestlaufzeit im Rahmen der Inbetriebnahme eingestellt. Dort werden auch die Prioritäten der Freigaben festgelegt, d. h. in welcher Reihenfolge die Verbraucher freigeschaltet werden sollen.
Die Wärmepumpen der meisten Hersteller sind Smart-Grid-ready (auf Label achten) und somit für die Nutzung von gebäudenah erzeugtem Photovoltaikstrom vorbereitet. Bei der Wahl des Energiemanagers muss auch das Thema Datenschutz geprüft werden: Werden die Daten auf einem Smarthome-Controller lokal gespeichert oder in einer Cloud? Wo steht der Server? Nach welchem Landesrecht ist der Datenschutz geregelt?
Beispiel Regelungsstrategie
Das folgende Beispiel zeigt, wie eine Regelungsstrategie für die Kombination von Wärmepumpe, PV und Speichern aussehen kann. Dafür muss der Wärmepumpenregler natürlich die entsprechenden Möglichkeiten bieten.
Im Trinkwarmwasserspeicher wird ein zweiter Sollwert generiert und somit die Wärmepumpe zwangseingeschaltet. Beispiel: Sollwert 1 = 48 °C und Sollwert 2 = 58 °C. Bei Photovoltaik-Überschussstrom fährt die Wärmepumpe auf Sollwert 2, um den Strom in Wärme umzuwandeln.
Winterfall: Ist die Wärmepumpenanlage mit einem Heizwasser-Pufferspeicher ausgestattet, dann wird analog zum Trinkwarmwasserspeicher vorgegangen. Das Volumen des Speichers ist unter Berücksichtigung der folgenden Kriterien auszulegen:
Ist der Heizwasser-Pufferspeicher-Sollwert 2 erreicht, wird der Raumsollwert um 1 bis 3 K überschritten. Bei einer Fußbodenheizung wird so Wärme im Estrich eingelagert und die Speicherkapazität des Gebäudes genutzt. Da es jedoch im Winter den größten Wärmebedarf gibt, zugleich aber die Photovoltaikanlage geringere Erträge erzielt, muss Strom zugekauft werden.
Sommerfall: Im Sommer zeigt sich genau das gegenteilige Bild: Die Photovoltaikanlage liefert hohe Erträge und die Wärmepumpe sorgt in erster Linie nur für etwas Trinkwarmwasser. Das heißt, im Sommer wird der Photovoltaikstrom für kleines Geld ins öffentliche Netz eingespeist.
Ist die Wärmepumpenanlage mit einer aktiven Kühlung ausgestattet, so kann man in den Sommermonaten nahezu betriebskostenneutral den entsprechend hohen Klimakomfort genießen. Auch hier ist es möglich, durch die Absenkung des Temperatur-Sollwerts den Kältepuffer mit niedrigeren Temperaturen zu beladen.
Messkonzept von Photovoltaikanlage und Batterie bis 10 kWp für Ein- und Zweifamilienhäuser
Aus dem Zusammenspiel der Wärmepumpe mit der Photovoltaikanlage und dem Stromspeicher erwachsen Anforderungen an die Messtechnik und die Stromzählerkonfiguration. Wo früher noch Bezugszähler ausreichend waren, benötigt man heute zumindest einen Zweirichtungszähler, der nicht nur den Bezug aus dem Stromnetz, sondern auch die Einspeisung misst.
Soll ein einphasiger Wechselrichter in ein dreiphasiges Hausnetz einspeisen, wird es anspruchsvoll. In diesem Fall erfolgt die Einspeisung des erzeugten Solarstroms immer nur auf die angeschlossene Phase. Die Verbraucher im Haushalt greifen jedoch alle drei Phasen ab.
Daher müssen in solchen Anlagen saldierende Zähler eingesetzt werden. Sie verrechnen den Betrag des gesamten erzeugten Stroms im Haushalt mit dem gesamten Netzbezug – unabhängig von den einzelnen Phasen. Saldierende Zähler betrachten nicht jede einzelne Phase, sondern das Gesamtsystem.
Es gibt auch phasenbezogene Zähler, die jede Phase einzeln bilanzieren. Damit ist Netzbezug bei gleichzeitiger Einspeisung möglich, jedoch wird der Eigenverbrauch des Haushaltes nicht korrekt abgebildet. Beispielsweise speist der Wechselrichter seine Leistung auf der angeschlossenen Phase ins Hausnetz und gleichzeitig sind an dieser Phase zu wenig Verbraucher angeschlossen. Dann wird der Überschuss an das Stromnetz abgegeben und vergütet. Erfolgt auf den anderen beiden Phasen Strombezug, so wird dieser vom Energieversorger abgerechnet. Für die Einspeisung in das Netz sollten deshalb immer saldierende Zähler eingesetzt werden.
Grundsätzlich gibt es bei Photovoltaiksystemen mit Batteriespeichern drei verschiedene
Ladekonzepte:
Bei allen oben genannten Varianten besteht das System aus den Hauptkomponenten
Arbeitet man nach dem KISS-Prinzip (keep it simple and stupid), empfiehlt sich die Variante AC-gekoppeltes System (Wechselstrom) mit einer gemeinsamen Zählung von Haushalt und Wärmepumpe (Bild C). Beim wechselstromgekoppelten System wird der von den Photovoltaikmodulen erzeugte Gleichstrom über einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Die Batterie (Stromspeicher) besitzt dabei einen eigenen Wechselrichter.
Bild: BDH
Im Regelfall versorgt der Wechselrichter der Photovoltaikmodule die Verbraucher im Haus direkt. Liegt kein Eigenstromverbrauch vor, dann wird der Photovoltaik-Überschussstrom durch den Batteriewechselrichter in Gleichstrom umgewandelt und die Batterie geladen. Die Entladung der Batterie erfolgt dann umgekehrt. Der Batteriewechselrichter wandelt den Gleichstrom in Wechselstrom und versorgt direkt die Verbraucher (Bild D).
Bild: BDH
In dieser Variante wird die Wärmepumpe mit dem Haushaltsstrom betrieben, wobei die Zählergebühr gegenüber der getrennten Erfassung eingespart wird. Nachteilig ist, dass die Wärmepumpe nicht extern angesteuert werden kann. Der Energieversorger kann deshalb keine Sperrzeiten schalten und auch keinen speziellen Wärmepumpentarif anbieten.
Unabhängig von der Nutzungsart und vom Messkonzept sind eine Abstimmung mit dem Elektrofachunternehmen und dem Energieversorger sowie eine Freigabe des Vorhabens bereits im Vorfeld unabdingbar. Da das Thema „Optimierung des Eigenverbrauchs“ immer mehr in den Vordergrund rückt, sollte der Zähler auch eine Schnittstelle für die Hausautomatisierung besitzen.
Neben dem hier gezeigten Messkonzept gibt es auch weitere Varianten. Diese werden im Informationsblatt Nr. 70 des Bundesverbands der Deutschen Heizungsindustrie (BDH) (www.bit.ly/sbz72) vorgestellt.
Leistungsorientierung von Photo-voltaikanlage und Batterie bis 10 kWp für Ein- und Zweifamilienhäuser
Für die Auslegung der Gesamtanlage (Erzeugung, Verbrauch und Speicherung) sind mehrere Faktoren ausschlaggebend. Für einen Netzparallelbetrieb wird die Gesamtanlage unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten auf eine Eigenverbrauchsquote von 50 bis 75 % ausgelegt.
Für eine erste Einschätzung der Eigenverbrauchs- und Autarkiequote sollten folgende Informationen beim Anlagenbetreiber eingeholt werden:
Auf Basis dieser Daten bietet die in Bild E dargestellte Tabelle aus dem Informationsblatt Nr. 70 des BDH eine sehr gute Orientierung, um eine Kostenschätzung bzw. ein Angebot zu erstellen.
Bild: ITM nach BDH, Informationsblatt Nr. 70, 2018
Hierzu ein Lesebeispiel für eine maximale Heizleistung von 7 kW: Bei einem Haushaltsstromverbrauch von 4000 kWh/a, einem Warmwasserbedarf von 200 l/d und einem Stromverbrauch von 6400 kWh/a für die Wärmepumpe ergeben sich bei einer 6-kWp-Anlage die folgenden orientierenden Werte:
Eine individuelle Berechnung des Autarkiegrads kann zudem über den sogenannten Unabhängigkeitsrechner der Forschungsgruppe Solarspeichersysteme der Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin erstellt werden (www.bit.ly/sbz73).
Strom-Community und -Clouds
Viele Anbieter aus dem Bereich der erneuerbaren Energien bieten mittlerweile die Möglichkeit an, Mitglieder einer Strom-Community (Stromgemeinschaft) oder einer Cloud zu sein. Da diese Begriffe nicht einheitlich definiert sind, unterscheiden sich diese Modelle teils deutlich voneinander. Mit den hier beschriebenen Themen soll nicht jeder Fall abgebildet, sondern nur ein grober Überblick geliefert werden.
Eine Cloud ist häufig vergleichbar mit einem Girokonto für selbst erzeugten Strom (z. B. Photovoltaikanlage). Wenn im Sommer Überschüsse aus der Photovoltaikanlage erzielt werden, dann zahlt man eine Strommenge (kWh) ein. Im Winter benötigt man mehr Strom, als die Photovoltaikanlage abwirft, und hebt eine Strommenge (kWh) vom Community-Konto ab.
Je nachdem wie hoch die Erträge aus der Photovoltaikanlage im Verhältnis zum Gesamtverbrauch sind, bleibt am Jahresende noch eine Strommenge auf dem Konto oder es muss Strom zugekauft werden. Solche Clouds werden von verschiedenen Energieanbietern und von
Herstellern für Stromspeicher (Batterien) angeboten.
Etwas anders funktioniert die Stromgemeinschaft des Allgäuer Energieunternehmens Sonnen. Die Mitglieder können eine Strom-Flat abschließen. Damit können sie ihren Strom untereinander teilen und mit ihren Stromspeichern an einem virtuellen Kraftwerk teilnehmen.
Energie, die gerade nicht selbst benötigt wird, wird der Gemeinschaft zur Verfügung gestellt und geht in deren Bilanzkreis ein. Mitglieder, die gerade Strom benötigen, erhalten rechnerisch den Strom anderer Mitglieder.
Damit entsteht eine Energiegemeinschaft, die sich selbst bilanziell mit Energie versorgen kann. Die Strom-Flat ist so angelegt, dass bei passender Kombination aus Photovoltaikanlage, Speicher und Verbrauch 0 Euro Stromkosten im Jahr möglich sind.
Für diesen Nutzen fordert der Community-Betreiber die Möglichkeit der selektiven Zu- bzw. Abschaltung, damit er auf Schwankungen von Angebot und Nachfrage reagieren kann. Gebäude mit einer neuen Wärmepumpe erhalten seit 2020 einen Smart Meter (intelligenter Stromzähler), weil dies ein steuerbarer Verbraucher ist.
Der Community-Betreiber bringt auf seiner Plattform Ökostromerzeuger und Stromabnehmer zusammen und nimmt am Stromhandel teil, um Erträge zu erwirtschaften.
Abschließend ist noch zu beachten: Das Thema Photovoltaik, Stromspeicher, Community und die Kopplung mit E-Mobilität ist so lange einfach, wie Investor und Nutzer personengleich sind. Ist dies nicht der Fall (z. B. im Mehrfamilienhaus), müssen Profis aus Technik, Steuer- und Vertragsrecht mit ins Boot geholt werden, damit eine Sektorenkopplung erfolgreich gelingt.
SBZ-Serie: Grundlagen Wärmepumpe
500.000 installierte Wärmepumpen pro Jahr ab 2024 – auf diese Zielmarke haben sich Hersteller, Verbände und Politik auf dem zweiten Wärmepumpengipfel Ende 2022 geeinigt. Bis dahin ist noch viel zu tun und es werden sich noch viele SHK-Betriebe auf die eigentlich gar nicht so neue Technik einstellen müssen.
In dieser Artikelserie vermitteln die Fachbuchautoren Markus Heigele und Lars Keller dazu neutrale, grundlegende Informationen. Der Fokus liegt hierbei auf Anwendungen im Ein- und Zweifamilienhaus. Häufige Fragen werden geklärt und so eine Brücke für den Einstieg geschlagen. Aber auch wer sich bereits mit der Wärmepumpe beschäftigt, kann sein Wissen auffrischen und die ein oder andere Lücke füllen.
Teil 1: Effizienzzahlen (SBZ 01.23)
Der erste Teil definiert die gängigen Effizienzzahlen wie COP, SCOP, SPF, Jahresarbeitszahl und ErP-Gruppierung und erläutert, welche Einflussfaktoren hier mit reinspielen. Anschaulich wird auf die Effektivität und Effizienz eingegangen.
Teil 2: Photovoltaik und Batteriespeicher (in dieser Ausgabe)
Im zweiten Teil wird das Zusammenspiel von Photovoltaik, Batteriespeicher und Wärmepumpe näher betrachtet. Was macht die Nutzung von selbst erzeugtem Strom für den Betrieb der Wärmepumpe so attraktiv? Was ist bei der Umsetzung zu beachten und wie erreiche ich einen hohen Eigenverbrauch?
Teil 3: Auslegung gemäß VDI 4645 (SBZ 03.23)
Der dritte Teil widmet sich der korrekten Auswahl einer Wärmepumpe und der zugehörigen Pufferspeicher, da dies die Basis eines effizienten und störungsfreien Betriebs darstellt. Als Grundlage dient hier die VDI 4645. Zudem werden Möglichkeiten zur effizienten Trinkwassererwärmung vorgestellt.
Teil 4: Hydraulik und Regelung (SBZ 04.23)
Der vierte Teil wendet sich wieder der Effizienz zu und legt dar, wie hydraulische Schaltungen diese beeinflussen können. Was sind die Effizienzkiller einer Wärmepumpe und in welchen Bestandssystemen ist eine Wärmepumpe die falsche Wahl? Warum sind Wärmepumpen über die Heizkurve und nicht über Thermostate zu regeln und welchen Einfluss hat der Betreiber?
Leitfaden für Wärmepumpenanlagen
Bild: ITM
Der „Leitfaden für Wärmepumpenanlagen“ bietet wertvolle Informationen für die effiziente und betriebssichere Auslegung und Planung von Wärmepumpenanlagen. Autoren sind Markus Heigele und Lars Keller.
Zum Inhalt: Bei den Grundlagen liegt ein Fokus auf der Kältetechnik, um die internen Abläufe einer Wärmepumpe verständlich zu machen. Der „Brennstoff Strom“ wird mit Zunahme der regenerativen Energien immer wichtiger und verbessert die CO2-Bilanz deutlich, die gesetzlichen Rahmenbedingungen werden erklärt.
Bei der Planung finden die Betriebsweise sowie die Auswahl der geeigneten Wärmequelle Beachtung. Damit Installateure einen störungsfreien und effizienten Betrieb erreichen, wird auf die hydraulische Verschaltung und die Einbindung der Trinkwassererwärmung eingegangen. Schlussendlich werden Inbetriebnahme, hydraulischer Abgleich und Reglereinstellung erklärt.
Wichtige Impulse zum Fachbuch kommen von Prof. Dr. Werner Schenk von der Fachhochschule München, der seine jahrzehntelange Erfahrung rund ums Thema in das Buch miteinfließen lässt. Im Mitgliederbereich der Homepage des Autors Lars Keller (www.tga-lars-keller.de) stehen weitere Zusatzinformationen wie Projektberichte, Checklisten etc. zur Verfügung. Die Anmeldung ist für Leser reserviert, die den Zugangshinweis im Buch finden.
Der Leitfaden ist im ITM-Verlag erschienen und u a. für 49 Euro über den Autor erhältlich (Direktlink über den QR-Code).
Bild: Heigele
