Werbung

Ein starkes Team - Die Autarkie machts: Wirtschaftliche Eigenstrom- und Wärmenutzung mit solarstrombetriebener Wärmepumpe

Aufgrund der erneuten Förderkürzung für PV-Anlagen steht für Investoren und Betreiber weniger die Anlagenrendite, sondern zunehmend die wirtschaftliche Eigenstromnutzung im Vordergrund. Hierzu bietet sich idealerweise eine Kombination von PV-Anlage mit Wärmepumpe und intelligenter Regelungstechnologie an.

Wärmepumpenansteuerung „Head-Shiffer“. Bild: Centrosolar

PV und Brauchwarmwasser-Wärmepumpe. Bild: Glen Dimplex

Brauchwarmwasser-WP und PV. Bild: IDM-Energiesysteme

Luft/Wasser-Wärmepumpe vom Typ „WWK 300 PV“. Bild: Stiebel-Eltron

 

Für die wirtschaftliche Eigenstrom- und Wärmenutzung werden auf dem Markt bereits etliche Systemvarianten mit Wärmepumpe in Kombination mit PV und intelligenter Regelungstechnologie angeboten. Das Ziel dieser Systemfindung besteht darin, zum einen eine spürbare Einsparung für Heizung und Warmwasserbereitung zu erwirtschaften und zum anderen eine gesteigerte Nutzung des selbst erzeugten Solarstroms für die gebäudeinternen Verbraucher (Haushaltsgeräte, Beleuchtung, E-Mobil) sowie für die Antriebs- und Steuerungsenergie der Technischen Gebäudeausstattung (TGA) zu ermöglichen. Aufgrund der kontinuierlich steigenden Energiepreise sollte das primäre Ziel aber eine Unabhängigkeit vom Energieversorger sein und Geld zu sparen.
Aufgrund der weiterhin steigenden Energiekosten erweist sich der Solarstrom als billigster Strom, den ein Endverbraucher derzeit beziehen kann. Insofern haben die sinkenden Einspeisetarife für Solarstrom natürlich eine Steigerung der Aktivitäten des Eigenverbrauch zur Folge.
Eine Alternative zur Solarthermieanlage besteht in der Systemlösung, die Wärmepumpe ausschließlich mit Solarstrom zu betreiben. Als einfache und zugleich effiziente Lösungsvariante stellt sich eine Kombination aus PV-Anlage mit einer Warmwasser-Wärmepumpe zur Wärmeerzeugung und Warmwasserspeicherung dar. Das Warmwasser lässt sich stets dann speichern und lange vorhalten, wenn die PV-Module den Solarstrom generieren. Das Heizen mit PV-betriebenen Wärmepumpen wird zunehmend wirtschaftlicher. Grundsätzlich lässt sich schlussfolgern, dass eine Kombination von Wärmepumpe und PV primär mit einer stromintensiveren Luft-/Wasser-Wärmepumpe realisierbar ist.
Mit sinkender Einspeisevergütung wird der Eigenverbrauch von Solarstrom einer PV-Anlage immer attraktiver. Da es am Markt jedoch noch an bezahlbaren und leistungsstarken Energiespeichern mangelt, lohnt es sich, den Solarstrom auch zu Heizzwecken einzusetzen. Eine einfache Möglichkeit, die Heizung um eine effiziente Alternative zu ergänzen, bietet die Warmwasser-Wärmepumpe. Diese nutzt die warme Luft des Heizungskellers und ersetzt die Brauchwassererwärmung durch die Zentralheizung. Dies spart Heizkosten und erhöht den Eigenverbrauchsanteil der PV-Anlage.
Ohne den Einsatz von Stromspeichern sind Eigenverbrauchsquoten über 25% kaum zu erreichen. Bei der Nutzung eines Stromspeichers besteht derzeit allerdings noch Optimierungspotenzial.
Für ein Einfamilienhaus kann sich die Investition einer PV-Anlage allein über die eingesparten Strom- und Wärmekosten rechnen. Im Falle von Einfamilienhäusern dürfte sich ohne den Einsatz eines Stromspeichers nur noch eine PV-Anlage mit einer Leistung von 1 bis 2 kWp rentieren. Andererseits rentiert sich eine PV-Anlage mit Stromspeicher nur bis zur Anlagengröße von 3 bis 4 kWp. Entfallen demgegenüber die Vergütungen für den eingespeisten Strom, dann werden neue PV-Anlagen nur noch bei einem hohen Eigenverbrauchsanteil optimiert. Eine direkte Stromspeicherung ist aufgrund der derzeitigen Kosten von ca. 1000 Euro/kWh Speicherkapazität bei Lithium-Speichern unwirtschaftlich. Im Vergleich dazu betragen die Kosten für einen Wärmespeicher ca. 30 Euro/kWh (1000 l, Temperaturhub 30 K).
Die meisten Produkthersteller bieten Anlagenkombinationen an, die nicht nur eine Überwachung der PV-Anlage ermöglichen, sondern auch das Energiemanagementsystem durchführen. Über ein integriertes Energiemanagement kann die Wärmepumpe von den zukünftig variablen Stromtarifen profitieren und somit den selbst produzierten Solarstrom optimal nutzen. Wird von den Haushaltsgeräten, z.B. dem Wäschetrockner, der Waschmaschine oder dem Geschirrspüler, nicht genügend Strom abgenommen, dann lädt die Wärmepumpe den Warmwasserspeicher. Hierdurch wird nicht nur der überschüssige Solarstrom im eigenen Haushalt genutzt, sondern gleichzeitig der Strom durch den Wärmepumpenprozess mit hoher Wirtschaftlichkeit in Wärme umgewandelt sowie die Förderungsquote angehoben.

Anlagenkombination PV mit WW-WP

 Die August-Brötje GmbH, Rastede, bietet seine Brauchwarmwasser-WP „SensoTherm BTW“ als Kombination mit einer PV-Anlage an.
Bosch Thermotechnik, Wetzlar, hat die Kombination der „Logavolt“ PV-Module mit seiner WW-WP „Logatherm WPT270“ im Programm. Die Brauchwarmwasser-WP ist wie die PV-Anlage in den Haushaltsstromkreis eingebunden und speichert die durch Strom erzeugte Wärme in einem Warmwasserspeicher. Da zwischen der Brauchwarmwasser-WP und der PV-Anlage keine Kommunikation stattfindet, wird das Wasser nicht bevorzugt zu dem Zeitpunkt erwärmt, wenn gerade viel Solarstrom produziert wird.

Intelligente Regelungstechnik

Die intelligenter Regelung der WW-WP sorgt dafür, dass die Wärmepumpe primär zu einem Zeitpunkt betrieben wird, wenn ausreichend Solarstrom zur Verfügung steht. In diesem Fall wird ein zweiter, höherer Warmwasser-Sollwert aktiviert, um besonders viel Energie zu speichern.
Aufgrund des Einsatzes einer intelligenten Regelungstechnik werden diese Anforderungen automatisch dann durchgeführt, wenn genau der richtige Zeitpunkt für den Betrieb der Wärmepumpe erfolgen muss – ohne dass der Nutzer manuell eingreifen muss. Hierbei sorgt eine Verbindung zwischen dem Wechselrichter und der WW-WP für die erforderliche Kommunikation der beiden Geräte.
Die Centrosolar AG, Paderborn, hat in Kooperation mit der Dimplex-Wärmepumpe „BWP 30HS“ die Systemkombination „Photothermie“ als Ergänzung zur WW-WP konzipiert. Mit der für den Eigenverbrauch optimierten PV-Anlagegröße („Cenpac“) und der verbesserten Ansteuerung durch den „Heat-Shiftdes“ ergibt sich ein energieeffizienter Funktionsablauf  zwischen der PV-Anlage und der WW-WP.
Mit der Regelung „Cenpac Plus“ von Centrosolar wird der Solarstrom aus der PV-Anlage über eine separate Ansteuerung mit der WW-WP „BWP 30 HS“ optimiert.  
Als Basis für dieses Signal fungiert der Leistungswert der PV-Anlage, der fest eingestellt wird. Bei der Ermittlung des Leistungswertes wird zunächst ermittelt, wie viel Strom üblicherweise für die Haushaltsgeräte benötigt wird, wobei sich der Strombedarf für die WP dazu addiert. Die Leistung muss zudem über einen bestimmten Zeitraum witterungsunabhängig sichergestellt werden.
Insofern wird mit dieser Systemlösung die WP auf Basis sinnvoller PV-Leistungswerte zum Hochheizen genutzt und die Regenerative Energie gespeichert. Die WW-WP zieht ihre Energie aus der Umgebungsluft und enthält einen digitalen Eingang zur Steuerung durch den „Heat-Shifter“. Bei der zweiten Lösungsvarianten wird die spezielle Regelung „Heat-Shifter“ integriert, bei dem der Schalterausgang der Wechselrichter als Impulsausgang genutzt wird.
Der Wechselrichter liefert dem „Head-Shiffer“ eine festgelegte Impulsanzahl pro erzeugtem kWh – Solarstrom. Hiermit kann der exakte Energieertrag der PV-Anlage ausgewertet werden und für die WP können die zeitaktuellen Entscheidungen getroffen werden.
Das typische Lastverhalten eines durchschnittlichen Haushalts in 15-Minuten-Intervallen wurde in der im Hintergrund wirkenden Logik hinterlegt und wird über die Eingabe des jährlichen Haushaltsstromverbrauchs des Nutzers an die jeweilige Einsatzsituation angepasst. Aufgrund dieser regelungstechnischen Systemfindung können auch die Tageszeiten mit z.B. stromintensiver Mittagszeit sowie die jahreszeitlichen Unterschiede (Sommer/Winter) berücksichtigt werden.  
Die Warmwasser-Wärmepumpe „BWP 30HS/D“ von Glen Dimplex, Kulmbach,  nutzt die in der Umgebungsluft vorhandene Abwärme als wertvolle Energiequelle für die zentrale Warmwassererwärmung bis 60°C. Der besondere Vorteil an der  „BWP 30HS/D“ besteht in der intelligenten Regelung, die den effizienten Eigenverbrauch des Solarstroms ermöglicht.
Die Investition einer PV-Anlage macht seit April 2012 vor allem dann Sinn, wenn der selbst erzeugte Strom für den eigenen Gebrauch genutzt wird – optimal ist ein Eigenverbrauch von 50% und mehr. Hierzu sind elektrische Geräte notwendig, die genau dann betrieben werden können, wenn Solarstrom zur Verfügung steht. Die Warmwasser-Wärmepumpe „BWP 30HS/D“ bietet hier eine gute Lösung.
Mit dem „Cenpac-plus“-System des Kooperationspartners Centrosolar wird eine gute Ergänzung zur WW-WP bereitgestellt. Dimplex hat die WP mit einem digitalen Eingang zur Steuerung durch den „Head Shifter“ ausgerüstet. Der „Heat-Shifter“ von Centrosolar vermittelt zwischen der WP und dem Wechselrichter. Mit der für den Eigenverbrauch optimierten Anlagengröße des „Cenpac“ und der verbesserten Ansteuerung durch den „Heat-Shifter“ ergibt sich ein gelungenes Zusammenspiel zwischen PV-Anlage und WW-WP.
Die intelligente Regelung der WW-WP sorgt dafür, dass die WP bevorzugt dann betrieben wird, wenn ausreichend Strom von der PV-Anlage zur Verfügung steht. In diesem Fall wird ein zweiter, höherer Warmwasser-Sollwert aktiviert, um besonders viel Energie zu speichern. Das Beste daran: All das funktioniert automatisch, ohne dass sich der Nutzer Gedanken machen muss, wann genau der richtige Zeitpunkt für den Betrieb der WP ist. Eine Verbindung zwischen Wechselrichter und WW-WP sorgt dabei für die nötige Kommunikation der beiden Geräte.
Die Terra-Wärmepumpen der IDM Energiesysteme GmbH, Matrei in Osttirol, nutzen auch den Solarstrom aus der hauseigenen PV-Anlage und können Strom als Wärme speichern. Der Navigator-Regler bietet die Möglichkeit zur Integration von Solarthermie und/oder die Kommunikation mit einem Wechselrichter. Der Navigator-Wärmepumpenregler verarbeitet Signale aus dem Wechselrichter einer PV-Anlage und erhöht damit den Anteil der Eigennutzung. Primär lädt die WP den Pufferspeicher mit Wärme und überhöht – je nach Stromangebot – die Temperatur im Speicher bis zu 5 K. Wenn es gewünscht ist, kann auch die Vorlauftemperatur geringfügig erhöht werden. Der IDM-Navigator erkennt auch, wann kostenloser Solarstrom zur Verfügung steht, und legt die Warmwasservorrangzeiten dorthin.
Das Komplettsystem der Remko GmbH & Co. KG, Lage, bestehend aus PV-Anlage, Luft/Wasser-WP (WKF) mit Hydraulikeinheit und Regelung. Die neueste Entwicklung von Remko wird mit der „Smart-WP“ bestückt, die in Kooperation mit der Schüco-Regelungstechnik ausgerüstet wurde. Die Regelung übernimmt das komplette Energiemanagement der „Smart-WP“, wobei im System auch zusätzliche regenerative Energiequellen eingebunden werden können. Bei einer Kombination zwischen PV-Anlage und Luft/Wasser-WP wird das Zusammenspiel beider Komponenten durch die Regelungstechnik gemanagt. Insofern optimiert sich durch die „Smart-Heating- and-Cooling“-Funktion der Eigenverbrauch des selbst erzeugte Solarstroms durch den angepassten Wärmepumpenbetrieb zur Warmwasserbereitung und  Gebäudeheizung- bzw. -kühlung.
Bei den zwei Modellen der neuen Luft/Wasser-WP „WKF“ und „WKF-compact“, passt sich die Verdichterdrehzahl stufenlos dem jeweils benötigten Heiz- bzw. Kühlbedarf an. Der Leistungsbereich liegt bei einer Heizleistung zwischen 1,1 und 17,7 kW sowie bei Kühlleistungen von 1,6 bis 14 kW. Die Ausführung „WKF-compact“ enthält zusätzlich einen 300-Liter-Brauchwarmwasserspeicher.
Schüco International, Bielefeld, bietet seit Ende 2012 die Kombination der Luft/Wasser-WP „HTE 03 HP DW-7“/ PV-System und SMA- bzw. Kaco-Wechselrichter an. Mit diesen Systemkomponenten kann der Nutzer auswählen, ob er er eine WW-WP oder eine Heizungs-WP einsetzen möchte. Das „Kompakt-Wärmepumpensystem“ bedient nach Prioritäten vorrangig den Haushaltsstrombedarf und im Anschluss die Wärmepumpe. Als letzte Möglichkeit erfolgt bei einem noch vorhandenen Stromüberschuss die Einspeisung ins öffentliche Netz. Das Zusammenspiel zwischen den Systemkomponenten erfolgt mit der Schüco-Regelung „ITE 5010“, die in das Hydraulikmodul integriert wurde.
Auch die Wärmepumpe „WWK 300 PV“ von Stiebel-Eltron, Holzminden, kann mit dem Wechselrichter einer PV-Anlage kommunizieren. Wenn der Regler im Modus „Zwangsladung“ das Signal erhält, dass eine bestimmte Solarstromleistung erreicht ist, lädt die WP hoch.
Die Entwickler bei Stiebel Eltron haben den Wärmepumpenmanager „WPM 3“ konzipiert, der die Heizungsanlage über ein Internet-Service-Gateway netzwerkfähig macht. Mit dem „WPM 3“ können Schnittstellen zu KNX, einem Bussystem aus dem Bereich Smart Home, sowie eine Verbindung zum „Sunny Home Manager“ von SMA realisiert werden. Die „WWK 300 PV“ arbeitet insbesondere dann optimal, wenn sie mit selbst erzeugtem Solarstrom betrieben wird. Eine spezielle Steuerung gewährleistet, dass die „WWK 300 PV“ vorrangig dann Wasser erwärmt, wenn der günstige, selbst produzierte Solarstrom zur Verfügung steht.
Der „Sunny Home Manager“ von SMA, Niestetal, ist die Basiskomponente für eine lückenlose PV-Anlagenüberwachung und ein intelligentes Energiemanagement. Als zentrale Steuerungseinheit des SMA Smart Home übermittelt der „Sunny Home Manager“ eigenverbrauchsoptimierte Laufzeitvorschläge dem Stiebel-Eltron-Internet-Service-Gateway (ISG). Er ermittelt, welche Leistung die Photovoltaikanlage in den kommenden Stunden erbringt und welche Leistung aktuell und im Tagesverlauf voraussichtlich im Haus verbraucht wird. Zu den Wärmepumpen und thermischen Speichern wie Puffer- oder Warmwasserspeichern gelangen diese Informationen über das ISG, das seinerseits dem „Sunny Home Manager“ meldet, welche Geräte startbereit sind und wie viel Energie hierfür benötigt wird.
Vaillant, Remscheid, entwickelt in Kooperation mit der SMA Solar Technology AG ein Energiemanagementsystem, das den Anteil von selbst erzeugtem Strom am Gesamtstromverbrauch eines Gebäudes maximiert. Hierzu wird das Energiemanagementsystem die Energieproduktion der PV-Anlagen und die Wärmeproduktion von Vaillant Wärmepumpen in Immobilien verbinden und aufeinander abstimmen. Durch den Einsatz des neuen Energiemanagementsystems können Immobilieneigner auch bei sinkenden Einspeisevergütungen optimal von den gebäudeeigenen PV-Anlagen profitieren und somit die Amortisationszeit der Anlage spürbar reduzieren.
Vaillant bietet zudem über das Tochter­unternehmen „Power  Plus Technologies“ neue Systempakete aus „geoTherm“-Wärmepumpe und PV-Anlage an. Die Anlagenkombinationen werden um das „Solar-Log“-System ergänzt, mit dem die Überwachung der PV-Anlage erfolgt und das Energiemanagementsystem durchgeführt wird.
Viessmann, Allendorf, bietet die WW-WP und Kompaktgeräte aus seiner Produktserie „Vitocal“ an, die mit PV-Anlagen kommunizieren können. Die „Vitotronic“-Regelung der WP ermittelt aus den Daten der Vortage automatisch die voraussichtliche Leistungskurve der PV-Anlage sowie den zu erwartenden Energiebedarf im Haushalt. Insofern können auch die vorgegebenen Einschaltpunkte der WP von der „Vitotronic“ auf Basis der Bedarfsprognose vorgezogen werden und der Wärmepumpenbetrieb optimiert werden. Wenn im Haushalt aktuell keine Wärme benötigt wird, kann diese im Heizwasser-Pufferspeicher oder im Brauchwarmwasserspeicher  gespeichert werden.
Viessmann bietet die Split-Wärmepumpe „Vitocal 222-S2“ mit der Wohnungslüftung „Vitovent 300-F“ in Kombination mit den PV-Modulen „Vitovolt 200“ an. Die Wärmepumpenregelung optimiert bei diesen Systemvarianten den Eigenverbrauch des Solarstroms, kontrolliert die Wohnungslüftung und ermöglicht die thermische Speicherung in einen Warmwasserspeicher.
Bei der alternativen Systemvariante wird die WW-WP „Vitocal 160-A“ mit dem PV-Modul „Vitovolt 200“ kombiniert bzw. die „Vitocell 100-V“ mit den PV-Modulen „Vitovolt 200“.

Optionale Alternative

Die Kombination einer PV-Anlage mit einer WP stellt eine optionale Alternative zur Energiespeicherung dar, indem ein Gebäude mit Regenerativen Energien beheizt und mit Warmwasser versorgt wird. Die unterschiedlichen Systemvarianten ermöglichen dem Anlagenbetreiber zudem durch die Integration einer intelligenten Steuerung (Smart Home) eine Eigenverbrauchsoptimierung des selbst erzeugten Solarstroms.
Mit dem neuen PV-Zubehör zur Wärmepumpen-Simulations-Software (WP-OPT) kann der Ertrag in Abhängigkeit vom Standort, der PV-Modulanordnung sowie der Dachneigung kalkuliert und die Prognose für die mögliche optimale Nutzung für Heizung, Brauchwarmwasser und Haushaltsgeräte erstellt werden.

Autor: Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de

 


Artikel teilen:
Weitere Tags zu diesem Thema: