Photovoltaik-Wärmepumpen-Kombination

Für den Einsatz einer Photovoltaikanlage ist die inzwischen nur noch geringe Einspeisevergütung kein vornehmlicher Grund mehr. Wirtschaftlicher und energetisch sinnvoller ist es, den selbst erzeugten Solarstrom gleich auch selbst zu verbrauchen, anstatt ihn ins Netz einzuspeisen. Besonders geeignet ist die Koppelung einer PV-Anlage mit einer Wärmepumpe. So kann ein erheblicher Teil des für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten Stroms regenerativ und somit klimafreundlich gewonnen werden. Eine vollständige Autarkie, also Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz, ist rein theoretisch möglich, bedarf aber weiterer Komponenten in einer genauen Systemplanung.

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Einziger Knackpunkt dabei: Der Bedarf an Heiz- und Warmwasser ist auch dann vorhanden, wenn die Sonne nicht scheint und die PV-Kollektoren deshalb keinen Strom produzieren können. Die Lösung sind – wie bei allen regenerativen Energiequellen – Speicher, die Wärmeenergie unabhängig vom Zeitpunkt der Erzeugung zur Verfügung stellen können.

Dimensionierung und Optimierung

Wie die einzelnen Komponenten in einem System dimensioniert werden müssen, darüber lässt sich keine Pauschalaussage treffen. Die Wirtschaftlichkeit einer Gesamtanlage hängt von vielen Faktoren ab, die sich gegenseitig beeinflussen:

  • Größe und Ertrag der PV-Anlage
  • Strombedarf anderer Verbraucher im Gebäude
  • Zu beheizendes Volumen und Wärmebedarf (Vorlauftemperatur)
  • Art der Wärmeübergabe an den Raum
  • Zu erzeugende Warmwassermenge inklusive Warmwasserspeicher
  • Größe des Heizungs-Pufferspeichers
  • Kapazität eines eventuellen Stromspeichers
Je besser alle Komponenten eines Gesamtsystems aufeinander abgestimmt und optimiert sind, desto wirtschaftlicher arbeitet es. So kann z. B. durch eine möglichst effiziente Wärmepumpe der Strombedarf reduziert werden. Auch eine niedrigere benötigte Vorlauftemperatur kann zur Reduktion des Strombedarfs führen. Bei der Warmwassererzeugung und -speicherung kann es sinnvoll sein, nur 40 bis 45 °C vorzuhalten, zu deren Erzeugung ebenfalls weniger Energie benötigt wird. Allerdings muss dabei darauf geachtet werden, das Wassersystem regelmäßig auf 60 bis 70 °C zu erhitzen, um mögliche Legionellen abzutöten. Manche Wärmepumpen verfügen dafür über eine spezielle Legionellen-Schaltung.

Kopplungsvarianten von PV und Wärmpumpe

Voraussetzung für die Kopplung von Photovoltaik und Wärmepumpe ist eine SG-Ready-Schnittstelle (SG = Smart-Grid), die von den Herstellern mittlerweile standardmäßig in Wärmepumpen eingebaut wird. Sie kann auf verschiedene Arten angesteuert werden:

Eine einfache Variante besteht darin, die Wärmepumpe über eine Leitung direkt mit dem Wechselrichter zu verbinden. Ein im Wechselrichter eingebautes Relais schaltet immer dann, wenn eine vorher eingestellte PV-Leistung erzeugt wird, z.B. 2.000 W. Da der erzeugte Solarstrom aber nicht nur von der Wärmepumpe, sondern auch von anderen Geräten genutzt wird, sollte immer ein Aufschlag für die Grundlast des Hauses addiert werden, z.B. 500 W. Wird als Schaltleistung für das Relais nun 2.500 W gewählt, ist gewährleistet, dass die Wärmepumpe hauptsächlich dann läuft, wenn wirklich genug Solarstrom für sie übrig ist. Anstelle des Wechselrichters können auch elektronische Stromzähler, sogenannte Smart-Meter, die Wärmepumpe ansteuern. An ihnen wird ebenfalls die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe eingestellt.

Eine weitere Variante ist die Kombination mit einem Energiemanagementsystem (EMS), in das Wärmepumpe und PV-Anlage eingebunden sind. Das computergesteuerte System misst die verschiedenen Energieflüsse in einem Gebäude und kann (je nach Ausstattung) sämtliche Elektrogeräte im Haushalt regeln. So wird der verfügbare Solarstrom optimal auf die Verbruacher in einem Gebäude verteilt.

Wärmepumpen mit Inverter-Technologie

Bei der Wahl der Wärmepumpe zur Kopplung mit einer Photovoltaikanlage bieten Geräte mit Inverter-Technologie einen klaren Vorteil gegenüber Wärmepumpen mit Stop-and-Go-Betrieb. Inverter-Wärmepumpen passen ihre Heizleistung an den tatsächlichen Wärmebedarf an. Sie regulieren permanent und stufenlos die Drehzahl des Verdichters. So wird die Leistungsaufnahme an den zur Verfügung stehenden Solarstrom angepasst, wodurch weniger Strom aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden muss. Überschüssig produzierte Wärme wird in einem Pufferspeicher zwischengelagert. Ein weiterer Nachhaltigkeitsvorteil: Der kontinuierliche Betrieb der Wärmepumpe verlängert außerdem deren Lebensdauer.

Klimaschutz

Unter Aspekten des Klimaschutzes und der CO2-Emissionen ist es empfehlenswert, eine Wärmepumpe mit Photovoltaik zu kombinieren. Vor allem dann, wenn der Strom im öffentlichen Netz nicht zu hundert Prozent aus regenerativen Quellen stammt, sondern aus dem in Deutschland nach wie vor häufigen Strommix mit einem erheblichen Anteil an Stein- und Braunkohle. Der Beitrag einer Wärmepumpe zum Klimaschutz hängt also erheblich davon ab, wie der Strom, mit dem sie betrieben wird, erzeugt wurde.

Leitfaden Wärmepumpe

Weiterführende Informationen zur Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik hat die Energieagentur NRW in einer Broschüre zusammengestellt. In zehn Kapiteln werden darin zunächst die Arbeitsweise einer Wärmepumpe und PV-Anlage sowie die Vernetzung dieser beiden Systeme erläutert. Dann geht es um die Optimierung der jeweiligen Anwendungen und im letzten Kapitel zeigen vier Beispiele aus NRW, wie gut die Kombination funktioniert. Auf der Website der Energieagentur kann der Leitfaden Wärmepumpe kostenlos heruntergeladen werden (siehe Surftipps).

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