Der Markt für Photovoltaik war in den letzten Jahren von erheblicher Volatilität geprägt. Dabei standen in der Regel weniger technische Gründe für die Errichtung einer Anlage zur Erzeugung von umweltfreundlichem Strom im Vordergrund, sondern es waren eher Argumente in Richtung Rendite, die den Ausschlag gaben. Doch mittlerweile sind nicht nur die Preise für Photovoltaik-Module deutlich gesunken, sondern auch die Vergütungssätze für dem erzeugten Strom. Darüber hinaus gilt aufgrund der neuen Struktur der Förderbedingungen nicht mehr der Grundsatz, dass erzeugter Photovoltaikstrom am besten in das Stromnetz eingespeist wird. Vielmehr zählt nun die Maxime: Je mehr selbst erzeugte Elektrizität auch selber verbraucht wird, desto höher ist die Ersparnis – aufgrund der deutlich höheren Bezugskosten elektrischer Energie aus dem Netz.
Deswegen bieten Hersteller insbesondere der Heiztechnik spezielle Modelle und Systeme an, die genau diesen Effekt berücksichtigen und in der Lage sind, die erzeugte Energie nicht nur sinnvoll einzusetzen, sondern sogar für einen relevanten Zeitraum zu speichern. Insbesondere Wärmepumpen spielen hier eine entscheidende Rolle. In der einfachsten Variante betreibt der selbst erzeugte Strom eine reine Brauchwasser-Wärmepumpe. Wird im Haushalt nicht genügend Elektrizität – z.B. durch Waschmaschine, Wäschetrockner oder Geschirrspülmaschine abgenommen – wird der Warmwasserspeicher einer Brauchwasser-Wärmepumpe geladen. Dadurch wird überschüssiger Solarstrom nicht nur im eigenen Haushalt genutzt, was insgesamt die Wirtschaftlichkeit der Anlage erhöht, sondern der Strom wird auch gleichzeitig durch den Wärmepumpenprozess mit hoher Effizienz in Wärme umgewandelt und gespeichert.
Der zweite Ansatz ist der Betrieb einer konventionellen Wärmepumpe. Die sinnvollen Grundlagen dafür bietet ebenfalls eine Veränderung der bislang gültigen Marktbedingungen. Denn die Energiekonzerne, die bislang kostengünstigeren Strom für den Betrieb von Nachtspeicherheizungen und Wärmepumpen geliefert haben, haben die Tarife zum Teil extrem erhöht. „Die Differenz zwischen dem speziellen Wärmepumpen-Tarif und dem normalen Haushaltsstrom ist mittlerweile deutlich kleiner geworden“, beschreibt Andreas Christmann, Leiter Produkt und Marketing bei Vaillant Deutschland die Situation. Dies rechtfertige nicht mehr die Erstellung eines gesonderten Zählerfeldes sowie die jährlich anfallenden Grundgebühren für den Zähler. Würde die Wärmepumpe über das Netz für die normalen Haushaltsgeräte betrieben, könnte sich bei der Photovoltaikanlage die Eigenverbrauchsquote deutlich erhöhen.
Der Anschluss für das EVU-Sperrsignal wird umgenutzt
Die Grundlage für den bisherigen, preislich vergünstigten Stromtarif beruhte auf den Vorgaben, dass der Verbraucher beispielsweise bis zu dreimal täglich für jeweils maximal zwei Stunden nicht in Betrieb sein darf. Diese Phasen wurden durch einen Rundsteuerempfänger und ein Sperrsignal an die Verbraucher gesendet. Dieser Eingang an Wärmepumpen muss durch die neue Preispolitik der Energieversorger jetzt jedoch nicht mehr genutzt werden und steht für alternative Zwecke zur Verfügung. „Mit unserem Konzept nutzen wir diese Funktionalität für den Einsatz in Verbindung mit einer Photovoltaikanlage. Steht hier Strom zur Verfügung, kann die Wärmepumpe freigegeben und die Länge der Betriebszeit durch einstellbare Parameter gesichert werden, damit auch ein Betrieb möglich ist, wenn die Sonne nicht scheint. Wir drehen damit die Funktionalität der freien Schnittstelle quasi um.“ Der Remscheider Hersteller nutzt hierfür das System Solar-Log, das eine Anlagenüberwachung der Photovoltaikanlage und die Ansteuerung der Wärmepumpe ermöglicht, damit überschüssiger Solarstrom hocheffizient in Form von Wärme umgewandelt und im Pufferbehälter gespeichert werden kann.
In ertragsarmen Zeiten steht die Wärmepumpe still
Die Einrichtung für das EVU-Sperrsignal kann somit genutzt werden, um die Betriebszeiten der Wärmepumpe in den ertragsarmen Zeiten zu vermindern, bzw. sogar ganz zu unterbinden. Bei überschüssiger Energie wird das Sperrsignal unterdrückt und das System produziert Warmwasser und ggf. sogar Wärme. Fehlt die gewünschte Solarenergie, muss selbstverständlich sichergestellt werden, dass es im Gebäude nicht zu Komforteinbußen kommt. Die dafür notwendigen Schaltungskonzepte und Einstellungen müssen zusammen mit dem Anlagenbetreiber individuell abgestimmt werden.
Derzeit können mit dem Solar-Log in Verbindung mit Vaillant Geotherm Wärmepumpen und allen gängigen Photovoltaikanlagen, bis zu vier Verbraucher über kabelgebundene Netzwerksteckdosen angesteuert und definiert werden. Sobald der vorgegebene Energieüberschuss erreicht wird, werden die Schalter eingeschaltet. Über eine Relaisschaltung können die Signale der Schalter zusammengefasst und invertiert werden. Dadurch lässt sich der Betrieb der angeschlossenen Wärmepumpe über das EVU-Sperrsignal bei nicht ausreichendem Energieüberschuss verhindern.
Individuelle und flexible Möglichkeiten der Steuerung
Bleibt der gewünschte Energieüberschuss aus, kommt es innerhalb der definierten Zeiträume in jedem Fall zum Einschalten der Wärmepumpe. Hierdurch lässt sich bei entsprechender Einstellung der Energieverbrauch ohne Komforteinbußen optimieren. Diese Einschaltzeit kann zudem mit einem Zufallsfaktor verknüpft werden, damit ggf. mehrere Verbraucher nicht alle gleichzeitig starten und das Netz somit nicht unnötig belasten. Der Schwellenwert für das Ein- oder Ausschalten berechnet sich dabei immer aus dem Stromüberschuss – also der aktuellen Stromproduktion minus dem aktuellen Verbrauch. Aktuell kann je Schalter ein Zeitfenster mit Ein- und Ausschaltschwelle definiert werden. Mit den Netzwerksteckdosen lassen sich bis zu 3 kW schalten. Für den Betrieb einer Wärmepumpe kann mit dem Gesamtsystem auch ein Verbraucher mit höherer Stromabnahme alternativ über das eingebaute Steuer-Relais angesteuert werden. Zukünftig sollen je Schalter auch mehrere Zeitfenster definierbar sein.
Solar-Log veranschaulicht die aktuelle Energiebilanz dabei optisch an einem Display über ein Ampelsystem. Angezeigt werden die aktuelle Stromerzeugung in Watt sowie der jeweilige Verbrauch und der individuelle Überschuss bzw. die darüber hinaus benötigte Strommenge. Durch verschiedene Konfigurations- und Übersichtsdialoge lassen sich die externen Schalter zur Optimierung des Eigenstromverbrauchs verwalten. Die Schaltbedingungen der Schalter können dabei komfortabel im Touch-Dialog oder über das integrierte Web-Interface konfiguriert werden. Unabhängig von den automatischen Einstellungen lässt sich jeder Schalter auch manuell jederzeit betätigen.
Paketlösungen für optimierten Eigenstromverbrauch
Vaillant hat auf der Grundlage von Planungsrechnungen komplette Paketlösungen in der Warmwasserversorgung und/oder Wärmeerzeugung in Verbindung mit einer Wärmepumpe und Photovoltaik-Modulen zusammengestellt, die auf eine hohe Eigenabdeckung des benötigten Wärmepumpenstroms abzielen. „Wir haben hier genau kalkuliert und entsprechende Anlagenkombinationen optimieren können“, erläutert Christmann dieses Angebot. „Die kleinste Leistungsgröße aus unserer Sicht ist eine 2 kWp-Anlage. Das entspricht etwa acht Modulen mit einer Gesamtfläche von rund 16 m2. Diese Photovoltaikanlage liefert dann die Basisenergie für eine Warmwasser-Wärmepumpe bezogen auf die Jahresbilanz.“
Eine Anlagenkombination mit einer Wärmepumpe zur Beheizung und Warmwasserbereitung lässt sich laut Katalogangaben des Remscheider Unternehmens mit PV-Anlagen ab 4 kWp betreiben. Die Wärmepumpe bietet in diesem Verbund 6 kW Heizleistung. Dabei wird eine Jahresarbeitszahl von rund 4 zugrunde gelegt, was einen Bedarf von 1,5 kW elektrischer Leistung entspricht. Dabei läuft die Wärmepumpe etwa 2300 Stunden p.a. Dies ergibt einen Jahresstromverbrauch von 3450 kWh. Der durchschnittliche jährliche Ertrag einer Photovoltaikanlage liegt zwischen 800 und 1100 kWh pro kWp. Eine 4 kWp-Anlage hat entsprechend einen Ertrag von größenordnungsmäßig 4000 kWh pro Jahr und wäre damit theoretisch in der Lage, den Jahresstromverbrauch der Wärmepumpe zu decken.
Praxiserfahrungen zeigen erhöhten Eigenstromverbrauch
„Bei den bislang durchgeführten Projekten haben wir überzeugende Beispiele für die Optimierung der Eigenverbrauchsquote – gerade bei der Nachrüstung bestehender Wärmepumpenanlagen“, beschreibt Christmann die aktuellen Ergebnisse. „In einem Zweifamilienhaus lag die Eigenverbrauchsquote der Photovoltaikanlage bei 32 % , weil die Leistungsspitzen nicht innerhalb der Produktionszeit lagen. Durch Optimierung der beeinflussbaren Stromverbräuche kann eine deutlich höhere Eigenverbrauchsquote erreicht werden. Eine intelligente dynamische Integration einer Wärmepumpe macht ein Steigerungspotenzial der Eigenverbrauchsquote um 15 % realistisch. Dabei ist es immer wichtig, die produzierte Energie nicht nur zu verbrauchen, sondern auch speichern zu können – beispielsweise in Form von Wärme, aber auch in Akkus.“
Die Kombination einer Wärmepumpe mit einer Photovoltaik-Anlage bietet nicht nur eine der bestmöglichen Alternativen, ein Gebäude mit erneuerbaren Energien zu beheizen und mit Warmwasser zu versorgen. Gleichzeitig eröffnen sich dem Anwender durch die Kombination mit einer intelligenten Steuerung auch nachhaltige Möglichkeiten zur Maximierung der Eigenverbrauchsquote der erzeugten Elektrizität. Dies führt wiederum zu einer überzeugenden Erhöhung der Einsparungen durch den selbst erzeugten und genutzten Strom und damit zu einer schnelleren Amortisation der Gesamtanlage.
Vorschriften
Regel- und Steuersystem
Das System Solar-Log wird über Kabel mit den Wechselrichtern verbunden und erhält über die interne Schnittstelle der Wechselrichter die Leistungsdaten der Anlage, bestehend aus Geotherm Wärmepumpe und Auropower Photovoltaik-Modulen. Neuere Ausführungen verwenden Bluetooth oder WLAN
Voraussetzung für die Optimierung des Eigenstromverbrauchs ist der Anschluss an einen digitalen Stromzähler entweder über einen S0-Ausgang oder eine RS485-Schnittstelle nach IEC60870
Smart Metering mit Photovoltaik-Monitoring kombiniert
Bis zu vier Verbraucher schaltbar über intelligente Steckdosen per Ethernet-Netzwerk oder Ansteuerung über einen potenzialfreien Ausgang des Solar-Log 1000
Einschaltlogik frei konfigurierbar
Ein-/Abschaltschwelle in Watt, 5 Minuten Hysterese
Späteste Einschaltzeit mit Zufallsfaktor zur besseren Netzlastverteilung
Berechnung der Eigenverbrauchsquote
Lokale und internetbasierte Visualisierung möglich
Ampelfunktion mit Darstellung, Produktion und Verbrauch Elektrizität direkt am Gerätedisplay verfügbar
Bestandsgeräte nachrüstbar per Software-Update
Verschiedene Konfigurations- und Übersichtsdialoge für Verwaltung der externen Schalter zur Optimierung Eigenstromverbrauch
