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Wärmepumpe und PV-Anlage effizient kombiniert

Auch die Abwärme von Wechselrichtern kann sinnvoll genutzt werden

Diese 96-kWp-PV-Anlage erzeugt via Wechselrichter genügend Wärmeverluste, um eine Luft-Wärme-Pumpe vorzuwärmen.

In diesem Ansaugschacht rechts ist der Wechselrichter eingebaut.

Wechselrichter werden normalerweise verschattet angebracht. Die Wärmeverluste verpuffen dann jedoch ungenutzt. Bild: Claus Ableiter / Wikimedia / Lizenz unter CC BY-SA 3.0 und SayCheeese / Wikimedia / Lizenz unter CC.0

Ein ausreichend großer Warmwasserspeicher gehört bei dieser Kombination zur Standardausstattung.

Bei großen PV-Anlagen können die Wechselrichter auch wie hier in eigenen Gebäuden untergebracht werden. Die Abwärme lässt sich so ebenfalls nutzen. Bild: Qurren / Wikimedia / Lizenz unter CC BY-SA 3.0

 

Wärmepumpen haben sich längst als Alternative zu anderen Wärmeerzeugern etabliert. Ihre Effizienz hängt allerdings von verschiedenen Faktoren ab. Zudem können Kombinationen mit anderen Anlagen dabei helfen, die Energiekosten zu senken. Ein Beispiel hierfür ist die Kopplung mit einem PV-System. Neben dem erzeugten Sonnenstrom kann auch die Abwärme der Wechselrichter dabei unterstützen, die Energiebilanz zu verbessern. Welche Möglichkeiten es gibt und wie sie umgesetzt werden können, ist Kernthema des nachfolgenden Artikels.

Wechselrichter, so empfehlen es die Hersteller, sollten dort angebracht werden, wo es kühl und schattig ist. Das ist auch nötig. Denn wenn die Wechselrichter zu heiß werden, mindert sich ihre Leistung. Ab etwa 45 °C, und die werden an einem sonnigen Ort im Hochsommer schnell erreicht, leidet der Stromwandler bereits. Hinzu kommt die Gefahr eines Schadens oder gar der Zerstörung. Eine Erhöhung der Wechselrichter-Temperatur um 10 K bedeutet bereits eine Verringerung der Lebenserwartung der elektrischen Komponenten um bis zu 50 %, so wissenschaftliche Untersuchungen. Aufstellungen im Dachgeschoss oder im Heizungsraum verbieten sich damit von selbst. Bei einer Temperatur von mehr als 70 °C regeln sich die Wechselrichter von selbst ab, um einen Totalausfall zu verhindern.
Der kühlere Aufstellort ist auch aus einem ganz anderen, ebenso pragmatischen Grund wichtig: Wechselrichter haben in aller Regel eine kürzere Lebensdauer als die PV-Module. Meist ist der Austausch von defekten Wechselrichtern nur zusammen mit dem Modul möglich. Das wiederum kann zu höheren Reparaturkosten führen – für den Kunden ist das ärgerlich. Immerhin kosten marktübliche Wechselrichter je nach Größe zwischen 300 und 700 Euro je kW Nennleis­tung.
Sollte generell keine Montage an einem kühlen Ort oder wie in den vorangegangen Beispielen beschrieben möglich sein, könnten statt konvektionsgekühlter Geräte welche mit Ventilator gewählt werden. Ratsam ist in diesem Zusammenhang auch, die Gewährleistungspflicht für die Wechselrichter über die in der Branche üblichen 5 Jahre auf 10 Jahre auszudehnen. Das wird von den meisten Herstellern bereits so angeboten.

Alternative: Abwärme des Wechselrichters sinnvoll nutzen
Trotz ihrer hohen Effizienz betragen die Verluste etwa 3 %, die als Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Das hört sich zwar erst einmal nicht viel an. Aber bei größeren PV-Anlagen summieren sich die Verluste beachtlich. Damit entweicht bares Geld in die Atmosphäre. Doch das muss nicht sein, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Kleines Zimmer beheizbar
Bringt man den Wechselrichter in einem kleinen, schattigen Zimmer des Wohnbereichs an, kann diese Verlustwärme theoretisch gleich und direkt genutzt werden. Dazu folgende Rechnung für die 10 m² eines kleinen Zimmers in einem gut gedämmten Haus an einem sonnigen Tag:

  • Erforderliche Wärmeleistung: 3 kWh/d.
  • Durchschnittlicher Ertrag Wintertag 16-kWp-PV-Anlage: 100 kWh Strom.
  • 3 % Verlust von 100 kWh: 3 kWh/d.


Die Verluste des Wechselrichters reichen also theoretisch aus, um dieses Zimmer komplett zu beheizen. Ein Problem gäbe es jedoch im Sommer, wenn die Sonne ausreichend lange scheint. Dann hilft nur Lüften.

Wechselrichter und Ansaugschacht
Eine weitere und deutlich effizientere Lösung wurde bei der Stiftung Bunter Kreis in Augsburg umgesetzt. Im dortigen Therapiehof für kranke und behinderte Kinder herrscht ein sehr hoher Bedarf an warmem Wasser. Bei der Installation der Energieversorgung sollten die laufenden Kosten so gering wie möglich gehalten werden. In einem Nebengebäude sorgt deswegen eine Luft-Wärmepumpe für die nötige Behaglichkeit. In deren Ansaugschacht wurden die Wechselrichter einer 15 m² großen und 96 kWp starken PV-Anlage installiert. Das macht die Arbeit der Wärmepumpe deutlich effizienter. An einem Tag mit 8 Std. Sonnenschein betragen die Wechselrichter-Verluste allein 23 kWh. Dazu eine weitere Rechnung:

  • Geschätzter Ertrag
    96-kWp-PV-Anlage: 80 000 kWh/a.
  • 3 % Verlust von 80 000 kWh:
    2400 kWh/a.
  • Heizöläquivalent: 240 l
    (aktuell ca. 147 Euro).
  • Erdgasäquivalent: 240 m³
    (aktuell ca. 166 Euro).


Die Wärmepumpe könnte durch Nutzung dieser Wärmeverluste abzüglich der eingesetzten Elektroenergie sogar den Gegenwert von 600 l Heizöl erzeugen. Somit wäre ein Großteil der Warmwasserbereitung dieses recht großen Objektes abgedeckt. Allerdings wird aus hygienischen Gründen, etwa der Verhinderung von Legionellen, und rechtlichen Vorschriften bei der Arbeit mit Kindern, diese von einem Durchlauferhitzer unterstützt. Bei anderen Objekten wäre eine solche Variante jedoch durchaus vorstellbar.

Jahreszeitliche Ergänzung
In Augsburg dient die System-Kombination sowohl der Warmwasserbereitung als auch der Heizungsunterstützung. Die Wärme wird zudem von einer auf dem Hauptgebäude montierten 15 m² großen Solarthermieanlage sowie zwei weiteren Erdwärmepumpen erzeugt. Mittels dieser Komponenten kommt die Einrichtung auf einen Eigenversorgungsgrad mit Wärme von 100 %. Die energetische Bilanz dieser System-Kombination verbessert sich dank der effizienteren Nutzung der Luft-Wärmepumpe, wenn auch nur leicht.
Jahreszeitlich ergänzt sich die Nutzung der Wechselrichterabwärme durch die Luft-Wärmepumpe sehr gut. Die Abwärme des Wechselrichters entsteht bei starker Sonneneinstrahlung und im Sommer. Genau dann sind die Verluste in den drei insgesamt 2300 l fassenden Warmwasserspeichern durch nur sporadisches Einspeisen mittels der Solarthermie, die dann vorrangig der Brauchwassererwärmung dient, am größten. Im Winter jedoch ist es genau anders herum. Kontinuierliches Heizen hält den Warmwasserspeicher auf konstanten Temperaturen bei im Vergleich geringeren Verlusten.
Experten des Fraunhofer ISE haben zudem in einem Feldtest mit 100 Anlagen die jahreszeitliche Entwicklung der Arbeitszahlen gemessen. Interessant dabei sei, so die Forscher, dass selbst im Winter die Arbeitszahl der Außenluft-Wärmepumpe trotz der niedrigen Lufttemperaturen im Mittelwert nicht unter 2,6 sinke. Die Effizienz der Wärmepumpe hänge demnach stark von den Vorlauftemperaturen ab. Je höher diese seien, desto niedriger sei die Arbeitszahl. Mit der Augsburger Konstruktion lassen sich die Vorlauftemperaturen jedoch einfacher erreichen. Das wiederum wirkt sich positiv auf die Arbeitszahl in der kalten Jahreszeit aus.
Ein weiterer Fakt: Im Winter ist der Anteil der Raumheizung deutlich höher als im Sommer, wenn die Brauchwassererwärmung überwiegt. Das drückt im Sommer die Arbeitszahl einer Erdreich-Wärmepumpe. Bei Außenluft-Wärmepumpen wird dieser Effekt durch die wärmeren Lufttemperaturen im Sommer kompensiert, im Winter jedoch verkehrt er sich ins Gegenteil. Auch das spricht für einen Einbau von Wechselrichtern in deren Ansaugschacht.
Wo diese technische Lösung nicht möglich ist, kann auch ein extra Gebäude im Außenbereich errichtet werden, aus dem die Luft für die Wärmepumpe angesaugt wird. Doch das ist natürlich teurer und wird nicht durch den Energiemehr­ertrag finanziell wettgemacht. Das Gebäude müsste also zudem einen anderen Nutzen haben.

Kombination Wärmepumpe mit PV-Strom generell sinnvoll
Trotz dieser unbestreitbaren, aber letztlich nur kleinen Vorteile stellt sich noch die Frage, wie sinnvoll generell die Kombination einer Luft-Wärmepumpe und einer PV-Anlage ist. Denn das Betreiben der Wärmepumpe mit PV-Strom ist deutlich naheliegender als nur das Nutzen der Wechselrichter-Verluste für eine Luft-Wärmepumpe. Da die Zusammenkopplung äußert komplex ist, bieten die meisten Hersteller Komplettsysteme an. Trotz dieser Angebote ist die Kombination nicht immer sinnvoll und auch technisch begrenzt. Der Grund liegt in der Tatsache, dass die PV-Anlage im Winter den wenigsten Strom erzeugt und die Wärmepumpe genau dann den meisten Strom braucht. Sinnvoll ist die Kombination insbesondere im Sommer mit dem schon beschriebenen, deutlich höheren Anteil an Warmwasser-Bedarf, und in der Übergangszeit, in der die Sonne immer noch genügend scheint.
Technisch stellt sich dabei das folgende Problem, so die Freiburger Solarforscher: Wie sehr muss und kann die Leistungsaufnahme der Wärmepumpe an die momentane Leistungsabgabe der Photovoltaikanlage angepasst werden? Ziel müsste eine hohe Eigenverbrauchsquote sowie ein maximaler Solarstromanteil am Jahresstromverbrauch der Wärmepumpe sein.
Nicht leistungsgeregelte Wärmepumpen liefen entweder mit einer Leistung, die vom Betriebspunkt abhängt, oder sie sind ausgeschaltet. Um die Leistung an den Wärmebedarf anzupassen, würden sie getaktet ein- und ausgeschaltet. Eine Einbindung in eine eigene PV-Anlage ist deswegen außerordentlich schwierig, da dies sich ja nach der Stromproduktion richten müsste, was die Pumpe aufgrund ihrer einfachen Steuerung aber nicht erkennen kann. Hier müsste noch ein PV-Speicher zwischengeschaltet werden, was aber wiederum die investiven Kosten in die Höhe treibt.
Bei leistungsgeregelten Wärmepumpen variiere hingegen zwar die Leistungsaufnahme, so die Wissenschaftler. Sie ließen sich aber nicht von außen steuern. Das wiederum könnte bedeuten, dass die Wärmepumpe zu viel teuren Strom aus dem Netz bezieht und nicht den eigens für sie produzierten eigenen und weitaus günstigeren PV-Strom.

Verbindung mittels Funksteckdose
Für dieses Problem gibt es eine Lösung: Die Wissenschaftler empfehlen als einfachste Möglichkeit, Photovoltaikanlage und Wärmepumpe direkt zu koppeln, und zwar mittels einer Funksteckdose. So funktioniere beispielsweise der „Sunny Home Manager“ von SMA. Das System ist jedoch für Brauchwasser-Wärmepumpen gedacht und hat deswegen einen Nachteil. Es fließt keine Information über die Temperatur des thermischen Speichers zurück. Wenn etwa durch Besuch unerwartet viel Duschwasser benötigt wird, muss der „Sunny Home Manager“ von Hand eingestellt werden, sodass die Wärmepumpe länger oder öfter laufen soll.
Es braucht also eine komplexere Steuerung. Denn eine Steuerung, die nur ein Signal zur Wärmepumpe fließen lässt, kann nicht berücksichtigen, wie groß deren Leistungsaufnahme im Moment des Einschaltens ist. Deswegen sollte die Steuerung oder gleich eine komplette smarte Lösung vorgeben, wie viel Leistung die Wärmepumpe aufnehmen soll. Nur so kann verhindert werden, dass teurer Netzstrom gezogen wird. Die Wissenschaftler nennen noch das Beispiel, die Wärmepumpe lieber zwei Stunden mit einem Kilowatt statt eine Stunde mit zwei Kilowatt laufen zu lassen. Das senke jedoch die Temperatur im Sekundärkreis ab, was wiederum durch die Steuerung ausgeglichen werden muss.
Wichtigstes Kriterium jedoch ist der Deckungsgrad. Mit wie viel eigen erzeugtem Strom kann also die Wärmepumpe maximal arbeiten? Als Maßstab kann die Strommenge gelten, die von der Wärmepumpe gebraucht wird, wenn die Sonneneinstrahlung am stärksten und natürlich, wie leistungsstark die PV-Anlage ist. Bei großen PV-Anlagen sei der Deckungsgrad naturgemäß größer als mit einer kleinen. Andererseits schrumpfe der Eigenverbrauchsanteil.
„In einem relativ typischen Einfamilienhaus mit Wärmepumpen-Raumheizung lassen sich mit einer vernünftigen Dimensionierung zwischen 10 und 30 % solare Deckung erreichen. Dabei gibt es überhaupt keine Kopplung des Wärmepumpenbetriebs an den Ertrag der Solaranlage“, so die Wissenschaftler. Mit einer intelligenten Kopplung ließen sich sogar 25 bis 40 % solare Deckung erreichen. Der Eigenverbrauchsanteil steige dann um 12 %.

Autor: Frank Urbansky

Bilder, sofern nicht anders angegeben: Urbansky

 


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