Ein Beitrag zur Energiewende - Solarwärmepumpen-Kompaktheizung im Feldtest

Typische Solarwärmeanlagen decken nur einen Teil des Wärmebedarfs für Heizung und Warmwasser ab. Der Restenergiebedarf wird durch fossile Energieträger (Öl, Gas), durch Biomasse oder über Strom (in der Regel über Wärmepumpen) bereitgestellt.
Aufgrund des immer größeren Anteils an Strom aus erneuerbaren Energiequellen im deutschen Stromnetz könnten aus Sicht der CO2-Jahresbilanz strombasierte Heizsysteme immer interessanter werden. Tatsächlich stagnierten allerdings die strombedingten CO2-Emissionen seit 2006 nahezu [1], wobei eine Ursache hierbei die Verschiebung von Atomstrom zu Kohlestrom seit 2011 ist.
Es besteht ein Dissens in der Fachwelt, ob der verstärkte Einsatz strombasierter Heizsysteme im Rahmen der Energiewende sinnvoll ist, weil eine zukünftige Reduktion der CO2-Emissionen zu erwarten ist, oder ob bei einer starken Verlagerung des Strombedarfs in den Winter durch sukzessive Umstellung auf elektrisch betriebene Heizsysteme der Bedarf an Strom, der durch Kohlekraftwerke insbesondere aus bereitzuhaltenden Reservekapazitäten gedeckt werden muss, steigt.
Aus der Betrachtung der monatlichen relativ konstanten CO2-Ausstöße in Deutschland kann abgeleitet werden, dass im Mittel bei der Umwandlung von Strom zu Wärme mit einer Effizienz, die auch im Winter zu geringerem CO2-Ausstoß führt als bei direkter Verbrennung von Gas in einem Brennwertgerät, die strombasierte Bereitstellung des restlichen Heizbedarfs zumindest nicht kontraproduktiv ist [2,3]. Dies gilt, solange die Energiemengen, die von dezentral genutzten fossilen Energieträgern zu Kraftwerken verschoben werden, nicht ein Maß überschreiten, das den verstärkten Verbrauch von fossilen Energieträgern mit Verschlechterung des mittleren CO2-Faktors für Kraftwerke zur Folge hat, bzw. ggf. den Import von Atomstrom. Bild 3 zeigt deutlich, dass der Wärme-End­energieverbrauch Deutschlands in den Wintermonaten um ein Vielfaches die im Winter erzeugten regenerativen Strommengen übersteigt.
Insofern ist die Deckung des aktuellen Wärmebedarfs über strombasierte Systeme, d. h. insbesondere Wärmepumpen, zumindest in den kommenden Jahren nur zu einem begrenzten Anteil denkbar.

Ansätze zum Erreichen der Klimaziele im Gebäudebereich
Die Perspektive zur Bewältigung der Herausforderung der Energiewende im Wärmebereich liegt aus Sicht der Autoren in der massiven Reduzierung des Heizwärmebedarfs im Gebäudebestand, in der verstärk­ten Nutzung lokal erneuerbar erzeugter Wärmeenergie, wie aktive und passive Solarnutzung, Biomasse und auch in Wärmepumpensystemen, allerdings nur bei kontrollierter hoher Effizienz und bevorzugt mit erneuerbar produziertem Strom betrieben.
Weiterhin können insbesondere im Neubau „SolarAktivHäuser“ einen wichtigen Beitrag leisten. Dies sind Gebäude, die ihren Wärmebedarf zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung zu mehr als 50% und bis zu 100% mit solarthermischen Anlagen decken. Dies erfordert vor allem eine große Kollektorfläche, einen großen Wärmespeicher und ein gut gedämmtes Gebäude. „SolarAktivHäuser“ entsprechen der europäischen Zielsetzung für Niedrigstenergiehäuser, die ab 2021 für alle Neubauten und ab 2019 für öffentliche Gebäude verpflichtend sind.
Im Projekt „HeizSolar“ wurden von 2010 bis 2015 vom Fraunhofer ISE, SWT Stuttgart, TU Ilmenau und dem Sonnenhaus-Institut die Fragestellungen des „SolarAktivHaus“-Konzeptes erstmals systematisch wissenschaftlich bearbeitet [8]. Grundlage des Projektes war eine Messkampagne an neun „SolarAktivHäusern“, die einen solarthermischen Deckungsanteil zwischen 50% und 100% aufweisen. Im Rahmen dieses Projekts wurde – als Alternativkonzept – auch ein Solarwärmepumpen-Heizsystem untersucht. Das eingesetzte Heizsystem und die Ergebnisse dieses Feldtests werden im Folgenden vorgestellt.

Solarwärmepumpen-System mit Hybridsonnenkollektoren als einzige Wärmequelle
Das Solarwärmepumpen-System „Solaera“ ermöglicht die vollständige Wärmeversorgung eines Hauses durch den Einsatz von Hybrid-Sonnenkollektoren, die die einzige Wärmequelle für das System darstellen, und eine in das System integrierte Kombination aus Wärmepumpe und Latentspeicher. Dadurch kann auf Wärmepumpen-Erdsonden oder Erdreichwärmetauscher, die im Gebäudebestand nur eingeschränkt realisierbar sind, verzichtet werden. Ebenfalls entfällt der Außenverdampfer einer Luftwärmepumpe mit Gebläse im Garten.
Im Gegensatz zu üblichen thermischen Solaranlagen zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung stellt „Solaera“ keine Ergänzung mehr zu einer konventionellen Heizung dar, sondern ist selbst das vollständige Heizsystem. Trotz innovativer Technologie ist das System nach außen genauso kompakt und einfach anzuschließen und zu betreiben wie ein konventioneller Wärmeerzeuger: Am Energiezentrum, in dem die komplette Technik einschließlich Latentspeicher untergebracht ist, werden Heizkreisvor- und rücklauf sowie Solarvor- und -rücklauf angeschlossen, hinzu kommen fünf kurze Verbindungsstücke zwischen Energiezentrum und Solar-Kombispeicher.
Die Solarheizung „Solaera“ ist das erste fortschrittliche Solar-Wärmepumpen-System (d.h. serielle Verschaltung von Kollektoren und Wärmepumpe), für das der Nachweis der Leistungsfähigkeit und Jahreserträge auf der Basis von Komponententests durch Prüfinstitute (ITW und ISE) und unabhängigen Feldtests durchgeführt wurde [9, 10]. Die solare Kompaktheizung hat sich mit der fast 9-jährigen Betriebserfahrung in vielfältigen Anwendungen in der Praxis bewährt.
Im Sommerhalbjahr (Bild 4a) liefert „Solaera“ die benötigte Wärmeenergie i.d.R. ohne Wärmepumpe: die Hybridkollektoren funktionieren wie Flachkollektoren. Die so gewonnene Wärme wird in den Wärmespeicher für Warmwasser und ggf. in die Heizung geleitet. Bei genügender Einstrahlung erwärmen auch im Winterhalbjahr die Hybridkollektoren direkt den Wärmespeicher. Bei hohem Heizwärmebedarf wird dem Speicher aber mehr Wärme entzogen als über die Kollektoren nachgeliefert werden kann, und die Wärmepumpe läuft an. Diese bezieht nun Niedertemperaturenergie von den Hybridkollektoren (Bild 4b).
Dadurch, dass die Kollektoren nicht mehr direkt nutzbare hohe Temperaturen erzeugen müssen, haben sie viel geringere Wärmeverluste als herkömmlich betriebene Sonnenkollektoren und wandeln wesentlich mehr der Solarstrahlung in für die Wärmepumpe nutzbare Energie um. Reicht auch die über Strahlung aufgenommene Energie nicht aus (z.B. bedeckter Himmel), beziehen die Hybridkollektoren Niedertemperaturenergie zusätzlich aus der Umgebungsluft (Bild 4c). In die Kollektoren eingebaute Wärmetauscher werden mithilfe von eingebauten Ventilatoren von der umgebenden Luft durchströmt. Diese Wärme wird an die Solarflüssigkeit abgegeben, die sie dann zur Wärmepumpe transportiert.
Wenn die Sonne nicht scheint und die Außentemperaturen sehr tief sind (z.B. kalte Winternacht), entzieht die Wärmepumpe dem Wasser-/Eisspeicher Niedertemperaturenergie (Bild 4d). Dieser wird solange abgekühlt, bis im Wasser 0°C erreicht werden. Die Wärmepumpe kann nun über mehrere Stunden Energie aus dem Eisspeicher ziehen, ohne dass die Temperatur weiter sinkt. Es wird lediglich mehr und mehr Wasser eingefroren (Bild 6).
Nur in Extremfällen, wenn der Eisspeicher vollständig eingefroren ist, sinkt seine Temperatur weiter ab. Am nächsten Morgen liefern die Hybridkollektoren dann wieder Niedertemperaturenergie, an einem klaren kalten Wintertag aus der Strahlung, sonst aus der Luft oder beides kombiniert. Damit wird die Wärmepumpe versorgt, falls sie läuft. Wenn die Wärmepumpe ausgeschaltet ist oder weniger Niedertemperaturenergie benötigt als die Hybridkollektoren liefern, wird die überschüssige Energie an den Wasser-/Eisspeicher abgegeben und „regeneriert“ diesen. Das Eis taut dabei wieder auf.

Monitoring eines mit „Solaera“ beheizten Hauses
Eine der ersten „Solaera“-Anlagen, die 2009 in einem Neubau in Gottenheim bei Freiburg in Betrieb genommen wurde, wurde vom Fraunhofer ISE im Rahmen des Projekts „HeizSolar“ mit Messtechnik ausgestattet und gemonitort [8]. Die im Folgenden vorgestellten Messergebnisse und Auswertungen wurden in diesem Rahmen vom Fraunhofer ISE erstellt.
Bei dem Objekt handelt es sich um eine Doppelhaushälfte, gebaut im KfW40-Standard mit einer Fußbodenheizung mit einer Wohnfläche von ca. 170 m². Das Haus wird von zwei Erwachsenen und zwei Kindern bewohnt.
Die „Solaera“ ist mit acht Hybridkollektoren ausgestattet, was einer Nettofläche von 18 m² entspricht. Im Erdgeschoss ist ein Kombispeicher für Heizung und Warmwasser mit 1000 l Inhalt aufgestellt. Bild 7 zeigt die monatlichen Energieverbräuche des Objekts.
Der gemessene Heizwärmeverbrauch für das gesamte Jahr 2014 beträgt 3488 kWh. Hinzu kommt die genutzte Abwärme des Speichers, der im Erdgeschoss untergebracht ist, sodass sich ein realer Heizwärmebedarf von 4021 kWh ergibt. Daraus ergibt sich ein spezifischer Wärmeverbrauch von 24 kWh/m² Wohnfläche und Jahr. Der Wert liegt unter dem Planungswert des Hauses, was u.a. an Außentemperaturen während der Heizperioden 2013/14 und 2014/15 lag, die über dem langjährigen Durchschnitt lagen.
Bild 8 zeigt die monatliche Systemarbeitszahl sowie die mittlere Außentemperatur und die auf die Kollektorebene eingestrahlte Solarenergie.
Die Definition der Systemarbeitszahl SAZ entspricht der vom IEA-Task 44 vorgeschlagenen Konvention SPFSHP [12], angewandt auf die einzelnen Monate: Sie beschreibt das Verhältnis der tatsächlich genutzten Wärme zum zu ihrer Erzeugung notwendigen gesamten Stromverbrauch.
Die elektrischen Verbraucher, die zum System gehören, sind:

• die Pumpen für die beiden Kreise der Wärmepumpe (Verdampfer und Kondensator),
• die Solarpumpe,
• die in die Hybridkollektoren eingebauten Lüfter,
• alle Ventile,
• der Eigenverbrauch des Reglers (ohne den für die Regelung für Heizung und ggf. Warmwasserzirkulation benötigten Anteil, der mit konstant 4,5 W angenommen wurde)
• und der Verbrauch des Elektro-Heizstabs. Der Heizstab sprang nur einmal im Dezember 2014 für weniger als eine Stunde an.

Auf der Wärmeseite wird nicht, wie bei der Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe, die Wärme, die die Wärmepumpe liefert, sondern die Wärme, die tatsächlich von Heizkreis und Warmwasserversorgung abgenommen und dem Haus zur Verfügung gestellt wird, berücksichtigt. Die Wärmeverluste des Speichers und der Rohrleitungsabschnitte vor den Wärmemengenzählern werden als nicht genutzte Energie gewertet und daher nicht berücksichtigt, auch wenn sie, wie in diesem Fall, dem Haus zum Heizen zugute kommen.
Die monatliche Systemarbeitszahl steigt von März bis Oktober auf sehr hohe Werte. In dieser Zeit wird das System hauptsächlich direkt von Solarwärme ohne die Wärmepumpe versorgt. Das Abfallen des SAZ-Wertes in den Sommermonaten, insbesondere im August, liegt daran, dass in dieser Zeit weniger Wärme verbraucht wird, während der Stromverbrauch des Systems (v.a. Solarumwälzepumpe sowie Regler und Elektrik) nicht entsprechend sinkt. Die Werte sind allerdings immer noch viel höher als bei einem reinen Wärmepumpensystem.
In den Monaten Januar, Februar, November und Dezember, in denen das System in erster Linie als Wärmepumpensystem arbeitet, beträgt die mittlere SAZ 3,7.
Über das gesamte Jahr 2014 gerechnet ergibt sich eine Systemjahresarbeitszahl SJAZ von 5,7. Das heißt, dass 5,7-mal mehr nutzbare Wärme geliefert wird als dafür Strom eingesetzt wurde.
Eine Analyse der Wärmeverluste des Speichers einschließlich angeschlossener Leitungen erbrachte höhere Werte als entsprechend Prüfbericht erwartet, was zum einen an der Messgenauigkeit, zum anderen aber auch an der durch die Messtechnik unterbrochenen Leitungsdämmungen liegen kann. Wird die auch indirekt vom System gelieferte und genutzte Heizwärme, nämlich die Abwärme des Speichers, mitberücksichtigt, ergibt sich eine SJAZ von 6,3.
Für die vier Monate mit hauptsächlichem Wärmepumpenbetrieb beträgt dann die SAZ 4,0. Somit ist im Winterbetrieb das System so effizient, dass auch in diesen Monaten eine deutliche CO2-Einsparung gegenüber einem fossil befeuerten Heizkessel erfolgt, siehe Tabelle 2.
Im Vergleich hierzu liegen die Feldtests [13, 14, 15] bestimmten Systemjahresarbeitszahlen von Luftwärmepumpen im Mittel bei 2,4 – 2,8.
Mit dem aktuell gültigen CO2-Äquivalent für den deutschen Strommix und einem durchschnittlichen Jahresnutzungsgrad von 85% eines Öl- oder Gasbrennwertgeräts ergibt sich bezüglich eines brennstoffbasierten Heizsystems eine CO2-Einsparung von 75% (Öl) bzw. 68% (Gas).

Fazit
Der Wärme-Endenergieverbrauch von Deutschland übersteigt in den Wintermonaten um ein Vielfaches die im Winter erzeugten regenerativen Strommengen. Insofern ist die Deckung des aktuellen Wärmebedarfs über Wärmepumpen zumindest in den kommenden Jahren nur zu einem begrenzten Anteil denkbar, insbesondere, weil der Hauptanteil im Gebäudebestand verbraucht wird. Diese Gebäude verfügen mehrheitlich über keine Niedertemperaturheizsysteme, die Voraussetzung für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb sind.
Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen sind hocheffiziente Solarwärmepumpen-Systeme, mit denen eine hohe CO2-Reduktion gegenüber herkömmlichen Heizsystemen erreicht wird – insbesondere in Verbindung mit gut gedämmten Häusern – ein wertvoller Beitrag zur Umstellung der Wärmeenergieversorgung hin zu einem CO2-neutralen Energiesystem. Beim Monitoring eines „Solaera“-Systems durch das Fraunhofer ISE konnte die überdurchschnittlich hohe Effizienz dieser Anlage nachgewiesen werden mit CO2-Einsparungen von 68 – 75 % gegenüber fossil befeuerten Heizungen.

Autor: Dr.-Ing. Ulrich ist Gründungsmitglied und Geschäftsführer bei der Consolar Solare Energiesysteme GmbH, Gewerbestr. 7, 79539 Lörrach. Er zeichnet verantwortlich für den Bereich Forschung & Entwicklung.

Literaturangaben:
[1] Statista das Statistik-Portal: de.statista.com/statistik/daten/studie/38893/umfrage/co2-emissionen-durch-stromerzeugung-in-deutschland-seit-1990/, August 2014 (zuletzt abgerufen am 14.03.2015)
[2] Großklos, M.; Frank, M.: Monatlicher Verlauf des kumulierten Energieverbrauchs und der Treibhausgas-Emissionen im deutschen Strommix, in: Energiewirtschaftliche Tagesfragen (2013), Nr. 64, S. 32-35
[3] Leibfried, U., Faßnacht, T., Glück, C.: Solarwärmepumpensystem als aktives Ausgleichelement im Erneuerbare-Energien-Stromnetz – ein Modelltest, Tagungsband 25. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI-Technologie-Kolleg, Regensburg, Mai 2015
[4] Jörg Ortjohann und David Schreckenberg, Stiftung Energieeffizienz: Energiewende RICHTIG machen, www.stiftung-energieeffizienz. org, www.stiftung-energieeffizienz.org/images/pdf/stiftung-energieeffizienz_arbeitspapier_recongeb_2015-06-16.pdf, zuletzt abgerufen am 21.6.2015
[5] Burger, B.: Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie im Jahr 2013, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Freiburg, 03.04.2014 www.ise.fraunhofer.de/de/downloads/pdf-files/aktuelles/stromproduktion-aus-solar-und-windenergie-2013.pdf (zuletzt abgerufen am 14.03.15)
[6] SenStadtUm (Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz Berlin) (Hrsg.) 1995: Umweltatlas Berlin, aktualisierte und erweiterte Ausgabe 1995, Bd. 3, Karte 07.01 Verkehrsmengen. www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/el309.htm (zuletzt abgerufen am 14.03.15)
[7] Dr. Thorsten Ebert, Städtische Werke AG: Technische und ökonomische Verknüpfung des regionalen Strom- und Wärmemarktes, Energiewende Nordhessen, 24. September 2013. www.sw-kassel.de/fileadmin/stw/dokumente/news/2013/Energiewende_Nordhessen_SUN_2013.pdf (zuletzt abgerufen am 14.03.15)
[8] Stryi-Hipp, G., et al., „HeizSolar - Untersuchung und simulationstechnische Optimierung von Wärmeversorgungskonzepten für Wohngebäude, deren Gesamtwärmebedarf zu 50% bis 100% mit Solarwärme gedeckt wird und Vergleich mit anderen CO2-reduzierten Wärmeversorgungskonzepten“, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Förderkennzeichen 0325971A, Laufzeit 01.10.2010 bis 31.12.2014.
 [9] Leibfried, U.; Günzl, A.; Sitzmann, B.: SOLAERA: Solar-Wärmepumpensystem im Feldtest, Tagungsband 18. Symposium Thermische Solarenergie, OTTI-Technologie-Kolleg, Regensburg, Mai 2008
[10] Simulationsstudie Solar-Wärmepumpensystem zur Trinkwassererwärmung und Raumheizung, Prüfbericht-Nr.: 07SIM109/1, ITW, Stuttgart, 2008
[11] ITW, Universität Stuttgart, Prüfbericht (Kurzfassung) Speicher für Niedertemperaturwärme, Prüfberichts-Nr. 07STO144K, Stuttgart, September 2011
[12] Hadorn, J.-C. (Editor): Solar and Heat Pump Systems for Houses, Ernst & Sohn, Berlin, Juni 2015
[13] Miara, M.; Günther, D.; Kramer, T.; Oltersdorf T.; Wapler, J.: Wärmepumpen Effizienz – Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb, Fraunhofer ISE, Freiburg, 2011 wp-effizienz.ise.fraunhofer.de/german/index/ zuletzt abgerufen 21.6.2015