Das fehlende Puzzlestück für Wärmepumpen – die Photovoltaik (PV) – Anlage

Zunächst zur Klarstellung: Wärepumpen verbrauchen natürlich schon eine gewisse Menge Strom und erfordern eine fachgerechte Auslegung. Zur Beheizung eines gut gedämmten Einfamilienhauses (z.B. 150 qm Wohnfläche) durch eine Wärmepumpe sollte als Hausnummer mit einem Stromverbrauch zwischen 5.000 und 6.000 kWh gerechnet werden (natürlich abhängig von Wärmepumpen-Technik, Jahresarbeitszahl (JAZ), Innentemperatur, Dämmung, Lüftung etc.). Zum Vergleich: Rund 4.000 kWh Strom verbrauchen vier im gemeinsamen Haushalt lebende Personen pro Jahr im Durchschnitt bereits für den normalen Hausshaltsstrom (Licht, E-Geräte, etc.).

Jetzt kommt aber die PV-Anlage ins Spiel. Wärmepumpen lassen sich nämlich gut mit PV-Anlagen kombinieren. Insbesondere wenn sie SG-fähig sind (Smart Grid) und die Wärmepumpe einen sogenannten Inverterbetrieb erlaubt. Über Smart Grid signalisiert die PV-Anlage der Wärmepumpe, wenn günstiger Strom zur Verfügung steht.
Die Wärmepumpe mit Inverter passt ihre Heizleistung ihrerseits dem momentanen Heizbedarf an und bleibt so öfter unterhalb der Energieerzeugung der PV-Anlage. Und diese Investition wird bei Bestandsgebäuden aktuell mit bis zu 45% staatlich bezuschusst.(5)

Von Dr. Christof Ernst

Was sind die Bauteile der PV-Anlage?

Das Auffälligste an einer Photovoltaik-Anlage sind die Solarmodule auf dem Dach. Sie wandeln Licht der Sonne in Strom um. Hinzu kommt der übliche Netz-Wechselrichter (wandelt Gleichstrom in Wechselstrom) und eine Verbrauchsmessung beim Stromzähler, die auf Eigenverbrauch ausgelegt ist. Die Komponenten für PV-Anlagen werden von Jahr zu Jahr günstiger. Der erzeugte Strom kostet im Prinzip nichts, bis auf die jährliche Abschreibung der ursprünglichen Investition. Heutige Smart-Home Technik lässt sich zudem gut nutzen, um die Stromverbraucher (auch die Heizung) mit der PV-Stromerzeugung in Einklang zu bringen.

Das Zusammenspiel zwischen Stromerzeugung und Wärmepumpe

Durch Programmierung der Wärmepumpe hin zu einer Laufzeit, die bevorzugt am späten Morgen beginnt und bis in die späten Abendstunden reicht, verbraucht die Wärmepumpe vor allem dann Strom, wenn auch die PV-Anlage Strom liefert.
Gleichzeitig ist normalerweise auch die Temperatur der Luft in diesem Zeitraum des Tages am höchsten, so dass die Wärmepumpe nur eine geringere Temperaturdifferenz ausgleichen muss und damit effizienter arbeiten kann, als z.B. bei kalten Nachttemperaturen.
Man kann das tendenziell an folgenden Temperatur- und Energieverbrauchskurven erkennen:

Temperatur- und Energieverbrauchskurve

Die Lila-Kurve zeigt den Stromverbrauch, i. W. durch die Wärmepumpe, an (12 Uhr Mittags liegt etwa am Ende des ersten Drittels von links aus gesehen). Die grüne Kurve zeigt die durch eine PV-Anlage erzeugte Energie an. Es handelt sich um einen eher trüben Tag Anfang Februar, dennoch scheint die Sonne von etwa 14-15 Uhr. In dieser Zeit läuft die Wärmepumpe fast vollständig mit dem PV-Strom, denn die lila Kurve sinkt fast auf Null, davor und danach ist ergänzender Energiebezug aus dem Stromnetz notwendig. Dabei verbraucht die Wp etwa 2,5 kW/h.

Die Außentemperatur steigt im gleichen Zeitraum, in dem die Wärmepumpe läuft, von 2 auf bis zu 10 Grad an, was die Effizienz der Anlage weiter unterstützt.
Die Innentemperatur (blaue Linie) bleibt bei einem gut gedämmten Haus dabei relativ konstant in einem komfortablen Bereich über 23°C. Boden und Decken, Wände und vor allem der Estrich sorgen für eine thermische Pufferwirkung, es bleibt einen Tag warm, ohne weiteres Zuheizen.

Temperatur und Sonnenschein heben nicht nur die Laune, sondern senken auch den Stromverbrauch

Ein weiteres Beispiel: Einige Tage später ist es Mitte Februar mit -15°C deutlich kälter und die Wärmepumpe muss für die erforderliche Wärmemenge etwa 13 Stunden arbeiten. Der Tag ist allerdings sonnig, so dass 8 Stunden von den 13 Stunden Laufzeit (also mehr als 60%) ausschließlich durch Strom von der PV-Anlage, ohne Emission von CO2, geleistet wurden (blaues Rechteck).
Bei wärmeren Tagen ist die Laufzeit der Wärmepumpe geringer und der durch die PV-Anlage abgedeckte Anteil kann entsprechend höher sein und bis zu 100% erreichen.

Ein Einfamilienhaus kann mit einer PV-Anlage (in dem Beispiel mit 7 kW Leistung (peak)), über das Jahr saldiert, sogar auf eine Netto-Stromeinspeisung kommen, inklusive der Energie für die Heizung. Über ein Jahr gesehen speist das Haus dann also mehr Strom ins Stromnetz ein, als es vom Netz für die Heizung und den ganzen restlichen Haushaltsstrom benötigt. Das Gleiche ist auch für größere Gebäude denkbar.

Geringe Emissionen und geringes Risiko für Kostensteigerungen

Ohne auf die Energiewende im Heizbereich zu warten und ohne wertvolle Rohstoffe wie Holz zum Heizen zu verbrauchen, kann so die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern und deren Preisentwicklung und damit auch die Emission von CO2 auf ein Minimum reduziert werden. Die Investition in eine PV Anlage führt zugleich zu einem tatsächlichen Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energieformen.

Die bereits zu Beginn bekannten Abschreibungen für die Investition in diese Art der Wärmeerzeugung, und die verbleibende vergleichsweise geringe Strommenge, die bei trüben und kalten Tagen vom Netz bezogen werden muss, reduzieren auch das Risiko für künftige Kostensteigerungen auf ein Minimum.

Marktentwicklung zeigt Wärmepumpen inzwischen an zweiter Stelle hinter Gasheizungen

Die Marktentwicklung 2020 zeigt, dass Wärmepumpen und holzbasierte Heizungen auch am stärksten zulegen, Gas stagniert beinahe und Öl verliert Anteile.(6)

Fazit:

• Wärmepumpen sind beim heutigen Stand und bei einer fachlich guten Auslegung effiziente Heizungsformen, die sich mit dem Energieträger mit dem derzeit höchsten Anteil an erneuerbarer Energie, nämlich Strom, betreiben lassen
• Daneben gibt es Wärmepumpen, die sich auch mit Gas betreiben lassen und auch solche, die gezielt für höhere Vorlauftemperaturen in Bestandsgebäuden ausgelegt sind
• Der Anteil erneuerbarer Energien ist beim Energieträger Strom bereits heute sehr hoch und steigt vermutlich weiter. Eine Wärmepumpe nutzt diese Energie besonders effizient. Der CO2 Ausstoß ist damit sehr gering und reduziert sich in Zukunft noch weiter, je weiter der Anteil der erneuerbaren Energien im Strommix steigt
• Der Anteil erneuerbarer Energie kann individuell sogar noch weiter gesteigert werden, indem z.B. eine PV-Anlage kombiniert wird.
• Beides sorgt für eine hohe Unabhängigkeit von den steigenden und schlecht planbaren zukünftigen Kosten für den Ausstoß von CO2. Bereits heute gut planbare Energiekosten sollten für Privat- als auch öffentliche Haushalte ein schlagendes Argument sein. Die Gemeinde sollte, mit Blick auf die harten ökologischen und ökonomischen Einsparziele, schnell und konsequent auf diese oder vergleichbar gute Technologien setzen
• Für einen wirtschaftlichen Einsatz müssen bei neuen Gebäuden große Wärmeübertragerflächen eingeplant werden (z.B. in Fußboden / Decke / großflächige Wandradiatoren). Diese Flächen sind später sonst nur mit größerem finanziellem Aufwand nachzurüsten. Daher müssen bereits in der Bauplanung große Wärmeübertragerflächen vorgesehen werden. Die Gemeinde sollte daher bei Bauanträgen explizit nachfragen, aktiv darauf hinwirken und diesen Punkt natürlich auch bei den eigenen Gebäuden als wichtigen Baustein hin zu den Zielen der EU berücksichtigen.

Lesen Sie auch Teil 1 von “Rettet das Klima! Aber mit moderner Technik und zu planbaren Kosten”: hier

Quellen:

(1) EU Kommission, https://ec.europa.eu/clima/policies/eu-climate-action/2030_ctp_en

(2) Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz, https://www.gesetze-im-internet.de/behg/index.html

(3) Umweltbundesamt, https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/energieversorgung/strom-waermeversorgung-in-zahlen#Strommix

(4) Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, https://www.bafa.de/DE/Energie/Heizen_mit_Erneuerbaren_Energien/Foerdervoraussetzungen/foerdervoraussetzungen_node.html

(5) Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle, https://www.bafa.de/DE/Energie/Effiziente_Gebaeude/Sanierung_Wohngebaeude/sanierung_wohngebaeude_node.html
(6) Bundesverband der deutschen Heizungsindustrie, https://www.bdh-koeln.de/fileadmin/user_upload/Pressemeldungen/Marktentwicklung_Deutschland_2020.pdf
(7) https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/energieverbrauch-nach-energietraegern-sektoren. Private Haushalte verursachen 25,5% wobei 70% für Raumwärme verbraucht werden.
(8) BEGH, https://www.gesetze-im-internet.de/behg/index.html