Wärmepumpe und Photovoltaik vernetzen

26.02.2020 | Veröffentlicht in Ausgabe 03-2020 | Druckvorschau

Bild 1: Seitdem die Förderung für PV-Anlagen deutlich zurückgefahren wurde, nutzen Hauseigentümer den selbst erzeugten Strom zunehmend für den Betrieb einer Wärmepumpe. - © Bild: Bosch — © Bild: Bosch

Bild 1: Seitdem die Förderung für PV-Anlagen deutlich zurückgefahren wurde, nutzen Hauseigentümer den selbst erzeugten Strom zunehmend für den Betrieb einer Wärmepumpe.

Energiemanagementsysteme ▪ In Deutschland leisten etwa 1,8 Millionen Photovoltaikanlagen und bald eine Million Wärmepumpen einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende. Durch die Kombination beider Systeme, etwa in einem Einfamilienhaus, entsteht allerdings ein noch größerer Nutzen, als wenn jedes für sich allein eingesetzt wird. Für das optimale Zusammenspiel beider Komponenten sorgen dabei Energiemanagementsysteme. Wird hier noch ein Batteriespeicher integriert, sind Autarkiegrade und Eigenverbrauchsquoten von über 70 % möglich. → Martin Weiss

Der Wechsel zu erneuerbaren Energien ist ein wichtiger Schritt, um den CO2-Ausstoß zu verringern. Regenerative Energien stellen jedoch neue Herausforderungen an den Betrieb der Haustechnik – einerseits aufgrund ihrer schwankenden Verfügbarkeit, andererseits aber auch durch ihren zunehmenden Einfluss auf die Stromnetze und die daraus resultierende Notwendigkeit von Stabilisierungsmechanismen wie Fernwirktechnik.

Die Herausforderungen in privaten Haushalten liegen vor allem in der schwankenden Verfügbarkeit des selbst erzeugten Solarstroms. Wird etwa in der Nacht Haushaltsstrom benötigt, beispielsweise für die Wärmepumpe, muss auf teuren Netzstrom zurückgegriffen werden. Umgekehrt wird tagsüber zu viel produzierter Ökostrom nur gegen eine geringe Vergütung in das Stromnetz eingespeist, ohne dass dieser für spätere Zeiten gespeichert und dann sinnvoll im eigenen Haushalt eingesetzt werden kann. Hier setzen Energiemanagementsysteme an, die als intelligenter Stromverteiler die Energieströme im Haushalt optimieren und damit die Stromkosten reduzieren.

Bild 2: Energiemanager optimieren die Energieströme im Haushalt und sorgen so für ein optimales Zusammenspiel von Wärmepumpe und PV-Anlage.

Bild 3: Der Energiemanager ist Teil des Smarthome-Systems von Bosch. Damit lassen sich alle Geräte über das lokale Netzwerk verbinden.

Nachhaltiges Energiemanagement

Nach diesem Prinzip arbeitet auch der Energiemanager von Bosch, der zudem Bestandteil des herstellereigenen Smarthome-Systems ist. Damit lassen sich alle Geräte über das lokale Netzwerk verbinden. Neben der Software selbst werden eine aktuelle Wärmepumpe von Bosch, eine Photovoltaik(PV)-Anlage, ein Wechselrichter von Fronius und optional ein Batteriespeicher benötigt. Weiterhin lassen sich auch Haushaltsgeräte als Teil des Smarthome-Systems einbinden (Bild 3).

Der Energiemanager erfasst die verfügbare Energie von PV-Anlage und Batteriespeicher. Gleichzeitig überprüft er den Stromverbrauch im Haus und ob gegenwärtig Netzstrom bezogen wird. Ist ausreichend Überschuss aus der PV-Anlage bzw. dem Stromspeicher vorhanden, schaltet er gezielt Verbraucher ein, um vorhandenen Solarstrom zu nutzen und einen späteren Netzbezug zu vermeiden.

Anschließend ermittelt der Energiemanager die Wärmeanforderungen der Wärmepumpe. Ist weiterhin ein Überschuss an Solarstrom vorhanden, lässt er diese Leistung aufnehmen – idealerweise in Kombination mit einer intelligenten Einzelraumregelung – und verlagert so die Wärmeerzeugung. Gebäude- und Wassertemperatur steigen dann bis zur zuvor durch den Nutzer festgelegten Höchsttemperatur an. Ist danach noch immer ein Überschuss vorhanden, wird der Batteriespeicher geladen.

Installation und Betriebsparameter

Die Software des Energiemanagers ist als App für Smartphone und Tablet verfügbar. Diese begleitet den Anwender durch die Installation, sodass alle Komponenten innerhalb des Netzwerks einfach eingebunden werden können. Dazu wird zunächst eine Verbindung zum vorhandenen Smarthome-System hergestellt. Anschließend verbindet sich die Energiemanager-App automatisch mit allen Komponenten.

Für die Wärmepumpe werden im nächsten Schritt sinnvolle Standardparameter vorgegeben, die sich später individuell anpassen lassen (Bild 4). So kann entschieden werden, ob Komfort oder Energieeffizienz im Vordergrund stehen sollen. Da durch den Einsatz des Energiemanagers überschüssiger Strom in Form von Wärme gespeichert wird, erhöht sich die Temperatur im Gebäude. Die hierfür zulässigen Temperaturgrenzen kann der Nutzer jederzeit variieren.

Wichtig ist in diesem Zusammenhang außerdem, dass der Energiemanager die Wärmepumpe modulierend ansteuern kann (Bild 5). Anders als bei der herkömmlichen Smart-Grid-ready-Schnittstelle, die lediglich das Ein- und Ausschalten ermöglicht, wird auf diese Weise sichergestellt, dass auch bei Leistungsanforderungen, die das vorhandene Solarstromangebot übersteigen, kein Netzstrom verwendet wird.

Bild 4: Die App erkennt die installierte Wärmepumpe automatisch und führt durch die Konfiguration der Betriebsparameter. So lassen sich etwa die Temperaturgrenzen für die Stromspeicherung in Form von Wärme definieren.

Bild 5: Die Wärmepumpe startet morgens im regulären Heizbetrieb und bezieht Netzstrom, da der PV-Strom des Vortags aufgebraucht ist. Gegen 10:25 Uhr verzeichnet die PV-Anlage einen Überschuss, der höher ist als die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe. In der Folge sorgt der Energiemanager dafür, dass die Heizkreise im zulässigen Bereich überhitzt werden. Bricht der Überschuss ein, wie z. B. gegen 10:35 Uhr oder 11:20 Uhr, wird die Wärmepumpe in der Leistung begrenzt. So lässt sich der PV-Strom nahezu vollständig nutzen.

Bild 6: In der App erhält der Nutzer eine tagesaktuelle Bilanz seines Energieverbrauchs.

Die Energiebilanz im Blick

Der Energiemanager wurde mit dem Ziel einer möglichst einfachen und intuitiven Bedienung entwickelt. Auf diese Weise haben Fachhandwerker und Endkunden stets einen Überblick über die aktuelle Energieversorgung im Objekt und können Einsparpotenziale identifizieren. Dafür lassen sich Energieerzeugung und -verbrauch tagesgenau abrufen. Wöchentliche, monatliche und jährliche Statistiken geben dem Nutzer darüber hinaus einen genauen Überblick über seine persönliche Energiebilanz (Bild 6).

So hat eine Simulation für ein KfW-40-Haus in Stuttgart gezeigt, dass mit dem Energiemanager Autarkiegrade und Eigenverbrauchsquoten von mehr als 70 % erreicht werden können (Bilder 7 und 8). Angenommen wurden dabei ein Haushaltsstrombedarf von 3750 kWh, ein Heizwärmebedarf von 40 kWh/m²a und eine Wohnfläche von 150 m². Eine nach Süden ausgerichtete PV-Anlage sollte für diesen Fall eine Leistung zwischen 5 und 7 kW_p aufweisen. Voraussetzung ist weiterhin ein Batteriesystem mit 5 bis 6 kWh Speicherkapazität. Eine größere Dimensionierung lässt den Autarkiegrad bzw. Eigenverbrauch nur noch geringfügig ansteigen.

Der Grund dafür liegt darin, dass der Hauptnutzen des Speichers in der Tag-Nacht-Verschiebung liegt. Demnach wird überschüssiger Strom tagsüber gespeichert und der Batteriespeicher nachts wieder entleert. Wird dieser jedoch größer als der mittlere Verbrauch in der Nacht ausgelegt, steigt der Nutzen kaum noch, da die gespeicherte Energie nicht mehr genutzt wird.

Im Vergleich zu einer Anlage ohne Energiemanager, PV-Anlage und Batteriespeicher reduzieren sich die Stromkosten in der Simulation um mehr als zwei Drittel. Bezeichnend ist darüber hinaus, dass sich die optimale Größe von Batteriespeicher und PV-Anlage selbst bei Häusern mit höherem Wärmebedarf von bis zu 75 kWh/m²a nur geringfügig ändert und am oberen Ende der genannten Bereiche liegt.

Fazit

Die Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe gewinnt durch den Einsatz von Energiemanagementsystemen noch einmal deutlich an Effizienz. Insbesondere durch die modulierende Ansteuerung der Wärmepumpe lassen sich hier Stromerzeugung und -verbrauch besser in Einklang bringen. Gleichzeitig sind Hauseigentümer mit einem Energiemanager für den bevorstehenden Wandel des Energiesektors gerüstet.

Künftig werden die Wärmepumpe und das Elektrofahrzeug die großen Verbraucher im Haushalt sein. Durch ihre flexible Leistungsaufnahme haben sie für die Nutzung des Energiemanagers eine Schlüsselrolle. Weiterhin bedeutet ein Aufschwung der Elektromobilität langfristig regulatorische Anpassungen innerhalb des Stromnetzes. Dabei wird der Energiemanager mehr und mehr zur koordinierenden Instanz zwischen Netzen und Energieverbrauchern.