Dream-Team für Bestand und Neubau

Über die Rendite einer Photovoltaikanlage auf dem Eigenheim entscheidet heute weniger die erzielte Einspeisevergütung als vielmehr der Verbrauch von selbst erzeugtem Solarstrom. Eine effiziente Wärmepumpe, die den eigenproduzierten Strom in Wärme umwandelt, verbessert unmittelbar die CO²-Bilanz eines Hauses und reduziert die Energiekosten. Wichtig ist in diesem Zusammenhang ein optimales Zusammenspiel von PV-Anlage und Wärmepumpe.

Unbestritten ist, dass Wärmepumpen-Heizsysteme fossile Brennstoffe ersetzen können. Ordentlich geplant, installiert und in Betrieb genommen sind Wärmepumpen für Neubau- und Bestandsgebäude ökologisch und ökonomisch sinnvoll. Der Umstieg lohnt sich im Bestand umso mehr, je höher die Preise für Gas und Heizöl klettern.

Hausbesitzer, die eine Photovoltaikanlage mit einer Wärmepumpe kombinieren, machen sich von Energieversorgern unabhängiger, wenn sie ihren Solarstrom gleich an Ort und Stelle verbrauchen. Wandelt die Wärmepumpe Solarstrom in thermische Energie um, statt ihn ins öffentliche Stromnetz einzuspeisen, wird das Netz entlastet und es kann zum Beispiel zusätzlich Windstrom erzeugt werden. Da im Haushalt bares Geld gespart wird, gehen Ökonomie und Klimaschutz Hand in Hand. Es ist darüber hinaus in vielen Fällen wirtschaftlich sinnvoll, selbst erzeugten Strom nicht ins öffentliche Netz einzuspeisen, weil die Einspeisevergütung für Solarstrom in den letzten Jahren stark gesunken ist. Daher ist die mit Solarstrom betriebene Wärmepumpe auch und insbesondere für Betreiber von älteren funktionstüchtigen PV-Anlagen im Gebäudebestand von Interesse, deren Einspeisevergütung in naher Zukunft ausläuft.

Ziel: Eine hohe Eigenversorgung der Wärmepumpe aus selbst produziertem Strom

Selbst erzeugter Solarstrom fließt direkt zu den Verbrauchern im Haushalt, wie zum Beispiel Wärmepumpe, Haushaltsgeräte oder das E-Auto. Überschüsse werden (falls vorhanden) in den Stromspeicher geschickt. Erst dann, wenn kein Solarstrom im Haushalt verbraucht werden kann, wird er ins öffentliche Stromnetz eingespeist.

Um eine hohe solare Deckung des Stromverbrauchs der Wärmepumpe zu erreichen, sollte sie daher im Sinne des Einspeisemanagements möglichst in Zeiten mit überschüssigem Solarstrom betrieben werden. Bei den oft gleichzeitig entstehenden Engpässen (Stromüberschuss) im Stromnetz übernimmt dann die Wärmepumpe die Rolle einer „Stromsenke“.

Doch wie funktioniert das? Je nach Einstellung und Betriebsweise der Wärmepumpe können bei PV-Betrieb die Sollwerte für die Warmwasser-Bereitung sowie das Heizen oder Kühlen heraufgesetzt werden. So wird der anliegende selbst produzierte Strom mit der Wärmepumpe verbraucht bzw. der Solarstrom in thermische Energie umgewandelt und gespeichert. Sowohl die Sollwerterhöhung für den Heizbetrieb als auch die Sollwerterniedrigung für den Kühlbetrieb können die Laufzeiten der Wärmepumpe verlängern. Diese Betriebsweise ist mit langen Einschalttakten der Wärmepumpe verbunden, was ihre Effizienz nochmals erhöht. Lässt die Leistung der Photovoltaikanlage nach oder ist die Solltemperatur im Warmwasserspeicher erreicht, schaltet die Wärmepumpe automatisch ab.

Schnittstelle Smart-Grid-Ready

Um im Zusammenspiel der Komponenten PV-Anlage und Wärmepumpe eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen, ist eine Schnittstelle erforderlich, mit der die einzelnen Komponenten barrierefrei miteinander kommunizieren können. Alle im Bundesverband Wärmepumpe organisierten Unternehmen haben sich auf einen gemeinsamen technischen Kommunikations-Standard für netzdienliche Wärmepumpen verständigt und dazu ein in Deutschland, Österreich und der Schweiz gültiges Siegel eingeführt: Das „Smart-Grid-Ready-Siegel“ bzw. „SG Ready Smart Heat Pumps“.

Ursprünglich wurde diese Kommunikations-Schnittstelle für Wärmepumpen dazu entwickelt, um eine Möglichkeit zu schaffen, um Wärmepumpen von außen zu steuern. Das könnte zum Beispiel durch einen Zusammenschluss von virtuellen Kraftwerken erfolgen, wobei die Wärmepumpen gekoppelt als „Stromsenke“ zum lokalen Lastausgleich beitragen können. Auch aus diesem Grund wurden Wärmepumpen mit dieser Schnittstelle als förderfähig eingestuft.

Kommunikation zwischen Wechselrichter, Wärmepumpe und Batteriespeicher

Hat aber ein Hausbesitzer das Ziel, möglichst viel selbst produzierten Solarstrom im eigenen Haushalt zu verbrauchen, kann die Wärmepumpe über die SG-Ready-Schnittstelle mit dem Batteriespeicher im Haus kommunizieren. Der Wechsel von der Netzeinspeisung hin zum Eigen verbrauch ist daher technisch einfach zu realisieren. In der Regel kann der Wechselrichter über den PV-Kontakt die Wärmepumpe ansteuern.

Wärmepumpen, die das SG-Ready-Label tragen, werden bereits ab Werk mit einem potenzialfreien Schalteingang und einer intelligenten Regelungstechnik ausgestattet. Über diese Schnittstelle kann die Wärmepumpe mit dem Wechselrichter des Batteriespeichers Informationen austauschen. Demnach ist es den Herstellern von Batteriespeichern und Wärmepumpen überlassen, den Datenaustausch zwischen einzelnen Systemen zu ermöglichen. In diesem Fall kann die gesamte Heiztechnik smart über ein zentrales Energiemanagementsystem gesteuert werden. Dieses sorgt im Haushalt dafür, bevorzugt Strom aus der eigenen Photovoltaik-Anlage zu verbrauchen bzw. Energieüberschüsse zu speichern.

Den Eigenstromverbrauch erhöhen

Geht man von einem durchschnittlichen Strompreis für Haushaltskunden von 31,7 Cent pro Kilowattstunde aus und stellt diesem einen Strompreis von rund 10 Cent für den selbst erzeugten Solarstrom gegenüber, ergibt sich bei der Wärmeerzeugung mit einer Wärmepumpe eine Einsparung von ca. 22 Cent pro Kilowattstunde. Um diesen Effekt rund um die Uhr nutzen zu können und eine hohe solare Deckung für die Wärmepumpe zu erreichen, kann ein Stromspeicher die Kombination aus PV-Anlage und Wärmepumpe ergänzen.

Nachgefragt beim BWP

Der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) sieht sich als Schnittstelle zwischen Industrie, Handwerk, Energieversorgungsunternehmen und Bauherren. Wir sprachen mit dem Geschäftsführer des Verbands, Dr. Martin Sabel, über die Schnittstelle Smart-Grid-Ready.

IKZ-HAUSTECHNIK: Die Schnittstelle Smart-Grid-Ready hat sich inzwischen etabliert, man findet das Siegel inzwischen beinahe lückenlos auf den Wärmepumpen. Weniger bekannt ist, welche Anforderungen für Heizungswärmepumpen gelten, um dieses Siegel zu erhalten.

Dr. Martin Sabel: Für die Beantragung des SG Ready-Labels müssen Heizungswärmepumpen über einen Regler verfügen, der vier Betriebszustände abdeckt. Der Betriebszustand 1 ist abwärtskompatibel zur bekannten und häufig zu festen Uhrzeiten geschalteten EVU-Sperre und umfasst maximal 2 Stunden „harte“ Sperrzeit. Im Betriebszustand 2 läuft die Wärmepumpe im energieeffizienten Normalbetrieb mit anteiliger Wärmespeicher-Füllung für die maximal zweistündige EVU-Sperre. In einem 3. Betriebszustand läuft die Wärmepumpe innerhalb des Reglers im verstärkten Betrieb für Raumheizung und Warmwasserbereitung. Es handelt sich dabei nicht um einen definitiven Anlaufbefehl, sondern um eine Einschaltempfehlung entsprechend der heutigen Anhebung. Und bei dem letzten Betriebszustand 4 handelt es sich um einen definitiven Anlaufbefehl, insofern dieser im Rahmen der Regeleinstellungen möglich ist. Für diesen Betriebszustand müssen für verschiedene Tarif- und Nutzungsmodelle verschiedene Regelungsmodelle am Regler einstellbar sein.

Grundsätzlich wird es mit dem zunehmenden fluktuierenden Anteil Erneuerbarer Energien aus PV und Windkraft an Bedeutung gewinnen, Flexibilität bereitzustellen. Flexibilität im Verbrauch wird zu einer wichtigen Dienstleistung, die ein Wärmepumpenbesitzer dem Netzbetreiber anbieten kann. Dieser muss verstärkt wirtschaftliche Anreize schaffen, damit sich für den Kunden ein flexibles Verbrauchsverhalten auch lohnt. Angesichts des gerade stattfindenden Hochlaufs von Wärmepumpen und E-Fahrzeugen ist es besonders wichtig hier schnell voranzukommen. Klug genutzte Flexibilität von Verbrauchern wird den notwendigen Netzausbau zwar nicht überflüssig machen, aber kann in bestimmten Bereichen zumindest dazu beitragen den Aufwand zu minimieren.

IKZ-HAUSTECHNIK: Das Fraunhofer IEE hat gerade im Auftrag des BWP verschiedene Flexibilitätsoptionen für ein Testnetz einer Kleinstadt modelliert. Mit welchen Ergebnissen?

Dr. Martin Sabel: Das ist richtig. Die Studienautoren untersuchten, wie sich der in den nächsten Jahren bevorstehende Ausbau von Wärmepumpen, E-Mobilität und PV-Anlagen auf das Stromnetz auswirkt. Dabei berücksichtigten sie auch einen Ansatz, in dem die Wärmepumpen in festen Zeitfenstern freiwillig ihre Leistung senken, um das Netz zu entlasten, wenn beispielsweise besonders viele Elektroautos geladen werden und damit das Verteilnetz fordern. Eine solche Lösung wäre mit allen marktgängigen Wärmepumpen umsetzbar, erfordert keinen separaten Zähler oder keinen separaten Tarif und kann den Stromnetzausbau um etwa 23 % reduzieren.

Aus rechtlicher Sicht ermöglicht die jüngst erschienene Novelle des § 14a EnWG die netzorientierte Steuerung von sogenannten steuerbaren Verbrauchseinrichtungen wie der Wärmepumpe, um Überlastungen im Stromnetz zu vermeiden. Mit der Neufassung liegt es jetzt an der Bundesnetzagentur (BNetzA), bundeseinheitliche Regelungen zu gestalten, welche die Verteilnetzbetreiber dazu verpflichten, Vereinbarungen über die netzorientierte Steuerung im Gegenzug für Netzentgeltreduzierungen abzuschließen. Wir warten hier gespannt auf die Details der Ausarbeitung.

IKZ-HAUSTECHNIK: Einstellung und Betriebsweise der Wärmepumpe sind elementar, wenn es um die bestmögliche Nutzung des eigenproduzierten Stroms geht. Inwieweit unterstützen die Wärmepumpen-Hersteller bei der Konfiguration? In der Regel muss ja eine Verbindung von der Wärmepumpe zum Wechselrichter aufgebaut und entsprechende Einstellungen vorgenommen werden.

Dr. Martin Sabel: Das SG-Ready Label soll insbesondere signalisieren, dass Wärmepumpen netzdienlich eingesetzt werden können. Dafür werden die oben beschriebenen Mindestanforderungen definiert und der Hersteller bestätigt, dass die Anforderungen von seinem gelabelten Gerät erfüllt werden. Wie genau die Anforderungen technisch umgesetzt wurden obliegt dem Hersteller. Informationen dazu findet man in den technischen Unterlagen. Für die Abbildung der technischen Umsetzung bietet der BWP den Herstellern die Möglichkeit, die SG-ready-Konfigurationen ihrer Produkte zentral zu hinterlegen. Dabei werden Schnittstellenfunktionen angezeigt und auf relevante Herstellerdokumente verwiesen.

IKZ-HAUSTECHNIK: Braucht es tatsächlich einen Stromspeicher für die PV-Anlage, wenn eine Wärmepumpe und vielleicht sogar ein E-Auto in dem Haushalt betrieben werden? Ließe sich dieser Investitionsblock von immerhin einigen Tausend Euro nicht ohne Komfort- und Effizienzverlust einsparen?

Dr. Martin Sabel: Die Frage, ob ein Stromspeicher benötigt wird, hängt stark von der Motivation des Anlagenbetreibers ab. Ist es zum Beispiel primäres Ziel des Betreibers, einen möglichst hohen Autarkiegrad zu erreichen, dann kann es sinnvoll sein, neben der Wärmepumpe mit thermischem Speicher, PV-Anlage und E-Auto auch zusätzlich in einen Stromspeicher zu investieren. Mal abgesehen von der Tatsache, dass man mit einem E-Fahrzeug auch automatisch einen riesigen Stromspeicher in der Garage stehen hat: Stichwort bidirektionales Laden. Was ich sagen will: die Frage der Wirtschaftlichkeit tritt mit dem Ziel maximaler Unabhängigkeit dann möglicherweise in den Hintergrund. Selbstverständlich werden Anlagen aber grundsätzlich so geplant, dass es auch ohne Stromspeicher nicht zu Komfortverlusten kommt.

Überschüssiger Strom aus der PV-Anlage wird im Batteriespeicher zwischengespeichert, bis er benötigt wird – beispielsweise am Abend, wenn der Energieverbrauch im Haushalt steigt. Mit diesem „Puffer“ für selbst erzeugten Strom im eigenen Haus erhöht sich der Eigenverbrauchsanteil, auch wenn die Sonne gerade nicht scheint. Erfahrungswerte zeigen, dass eine Photovoltaikanlage bis zu 35 % des eigenen Strombedarfs deckt, während ein Stromspeicher die Eigenverbrauchsquote auf bis zu 70 % erhöht. Je nach Auslegung und Konfiguration des Systems kann die Autarkie auch noch höher ausfallen.

Ausblick

Da Wärmepumpen das ganze Jahr über für eine erneuerbare Wärmeversorgung einsetzbar sind, kommt ihnen im Rahmen der Energiewende eine hohe Bedeutung zu. Die Aussicht, dass in Deutschland theoretisch 15,5 Mio. Ein- und Zweifamilienhäuser ihre Wärmepumpen mit Solarstrom versorgen und dabei einen Autarkiegrad zwischen 35 bis 70 % erreichen können, veranschaulicht das Potenzial dieses Systems, vor allem für Gebäude im Bestand.

Autor: Martin Bauer, Produktmanager Wärmepumpe bei Wolf Heiztechnik

www.wolf.eu/produkte/waermepumpen