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Unabhängigkeit im Fokus

Planungshinweise zur ­Systemkombination von Wärmepumpe, Photovoltaik und ­Batteriespeicher

In fast 30 % aller Neubauten wurde in 2016 eine Wärmepumpe verbaut. Damit hat sich der Marktanteil in den letzten zehn Jahren mehr als vervierfacht.

Der Planungsansatz zwischen konventioneller Wärmeerzeugung und einer Anlage aus Wärmepumpe, Batteriespeicher und Photovoltaik-Anlage unterscheidet sich grundlegend.

Vor der Planung einer Photovoltaik-Anlage sollte die Dachbeschaffenheit geprüft werden.

Die Unabhängigkeit von den steigenden Energiekosten stehen für Haus- und Wohnungseigentümer bei der Umsetzung einer Anlagenkombination aus Photovoltaik, Batteriespeicher und Wärmepumpe oft im Vordergrund des Entscheidungsprozesses.

Die Aufstellung eines Batteriespeichers mit Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen ist nicht an Bedingungen geknüpft. Belüftungskonzepte wie bei Bleizellen sind nicht erforderlich.

 

Wer noch vor wenigen Jahren gesagt hätte, dass Strom zur Führungsenergie in der Heiztechnik avancieren wird, hätte bei den Zuhörern wohl ziemliches Unverständnis hervorgerufen. Mittlerweile hat sich das Blatt deutlich gewendet. Die Systemkombination Photo­voltaik, Batteriespeicher und Wärmepumpe steht oft im Fokus bei privaten Hauseigentümern. Was sollte in der Planung und Umsetzung einer derartigen Anlage berücksichtigt werden?

Klar: Immer noch sind 50 % aller Heizungen auch im Neubau Gas-Brennwertgeräte. Doch betrachtet man kurz die Entwicklung seit der Jahrtausendwende, wird der Trend sehr deutlich. Im Jahr 2000 wurden noch in 90 % aller Neubauten Erdgas und Heizöl als Energieträger eingesetzt. Dieser Anteil sank rapide bis 2009 auf rund 52 % und hält sich seitdem relativ stabil. Parallel dazu entwickelte sich die Wärmepumpe. Von 1 % Marktanteil in 2000 bis nahezu 30 % in 2016. Legt man die Zahlen der letzten zehn Jahre zugrunde, hat sich der Marktanteil der Wärmepumpe im Neubau damit mehr als vervierfacht.
Kann also derzeit tatsächlich davon gesprochen werden, dass der Energieträger Strom zur Führungsenergie im Heiztechnikmarkt wird? Ja – weil die Entwicklung durch alle Marktbeteiligten weiter vorangetrieben wird – u. a. auch durch politische Bedingungen und Gesetze oder Vorgaben wie z. B. die Energieeinsparverordnung (EnEV). Forciert wird die Entwicklung aber auch durch die technologischen Fortschritte der letzten Jahre. Beispielsweise Batteriespeicher – noch vor wenigen Jahren ein absolutes Nischenprodukt, bilden Batteriespeicher plötzlich nicht nur ein stabiles, sondern stark wachsendes Segment in der SHK. Skalierungseffekte und damit sinkende Kosten bzw. Preise tun ihr übriges, um den Batteriespeicher noch weiter in den Markt zu bringen. Das gilt auch für Photovoltaikanlagen, deren Kosten in den letzten Jahren immer weiter gesunken sind. Lag der Preis für 1 kWp (Kilowatt-Peak) Anfang 2006 noch bei rund 5000 Euro, müssen heute nur noch ca. 1650 Euro pro kWp für eine komplette Anlage inklusive Montage ausgegeben werden.

Warum ist die Systemkombination Wärmepumpe, ­Photovoltaik und Batteriespeicher so beliebt?
Fast unisono lautet die Antwort von Endkunden auf diese Frage: Unabhängigkeit – u. a. von den steigenden Energiekosten. In einer immer unsicherer werdenden Welt wollen Hauseigentümer darauf setzen, sich soweit wie möglich unabhängig zu machen. Fast jeder Haus- und Wohnungseigentümer hat sich schon einmal über die Entwicklung der Strompreise in Deutschland geärgert. Die Preissteigerungen in den letzten Jahren können sich in der Tat „sehen lassen“. Der durchschnittliche Strompreis für Privathaushalte ist seit der Jahrtausendwende von 13,94 auf 28,69 Cent pro Kilowattstunde gestiegen. Dies entspricht einer Steigerung von 106 % beziehungsweise 7 % pro Jahr. Der Strompreis-Trend nach oben wird sich fortsetzen. Nach Ansicht von Experten wird die notwendige Energiewende auch in den kommenden Jahren zur Verteuerung beitragen. Die Versorger haben für die kommenden Jahre bereits weitere Preiserhöhungen angekündigt.
Das alles hatte bereits seit 2013 zur Folge, dass der selbst erzeugte Photovoltaikstrom günstiger ist, als der vom Versorger eingekaufte Strom. Doch wie hoch liegt denn der tatsächliche Eigenverbrauch bei einer Photovoltaikanlage und wie viel wird eingespeist? „Rund ein Drittel des selbst erzeugten Stroms kann in der Regel selber genutzt werden. Der Löwenanteil wird jedoch eingespeist“, weiß dazu Christian Sieg, Leiter Produkt- und Dienstleistungs-Management bei Vaillant Deutschland.
Um diesen Eigenanteil zu erhöhen, werden Batteriespeicher eingesetzt. Ist die Stromproduktion größer als der Verbrauch im Haus, wird der Strom einfach zwischengelagert und dann genutzt, wenn die Sonne keine Energie mehr liefert. Dann sind ­Eigenverbrauchsquoten von mehr als 70 % möglich. Mit einer Photovoltaik- und einem modernen Batteriespeichersystem kann man in der Jahresenergiebilanz oder rein wirtschaftlich betrachtet nahezu unabhängig vom Versorger werden. Kommt dann noch eine Wärmepumpe dazu, wird der selbst produzierte Strom auch zur Wärmeerzeugung verwendet. Diese Anlagenkombination bietet eine Menge Vorteile. Gleichzeitig ist sie ein wesentlicher Eckpfeiler der Energiewende und wird u. a. durch den Gesetzgeber gefördert.

Was muss vor der Empfehlung für eine ­Systemkombination geprüft werden?
Für den Einsatz einer Photovoltaikanlage sollte zunächst die zur Verfügung stehende Dachfläche, ihre Ausrichtung, Neigung und Beschaffenheit geprüft werden. Ist die Tragfähigkeit des Daches ausreichend für eine Photovoltaikanlage? Sind eventuell Schäden an der Dachfläche vorhanden, die vorab instand gesetzt werden müssen?
Für den Batteriespeicher wird eine Aufstellfläche benötigt, die durchschnittlich ca. 0,3 m² beträgt. Gleichzeitig ist darauf zu achten, dass je nach dem Material der verwendeten Batteriezellen Bedingungen und Vorschriften für die Aufstellung zu beachten sind. So sind bei älteren Bleizellen Belüftungskonzepte vorzusehen. Die mittlerweile dominierenden Lithium-Ionen-Zellen benötigen keine Voraussetzungen in der Aufstellung. Die beste Alternative bieten Batteriezellen aus Lithium-Eisen-Phosphat. Hier entspricht die angegebene nominale Ladekapazität auch nahezu dem, was entladen, sprich genutzt (Nutzkapazität) werden kann. Das vereinfacht in der Regel die Planung und kann die Investitionen reduzieren. Batteriezellen aus Lithium-Eisen-Phosphat sind darüber hinaus eigensicher und langlebig.
Die Aufstellung eines Batteriespeichers mit Lithium-Eisen-Phosphat-Zellen ist prinzipiell völlig frei. Zu beachten ist aber, dass eine Einbindung in die Elektroverteilung des Gebäudes erfolgen muss. Daher ist eine räumliche Nähe hierzu vorteilhaft. Mindestens sollte aber eine gute Verbindungsmöglichkeit bestehen. Zwischen Elektroverteilung und Batteriespeicher müssen ca. drei Kabel verlegt werden – soweit es sich um ein AC gekoppeltes Komplettsystem handelt.
Die Einsatzbedingungen für Wärmepumpen erstrecken sich vor allem auf die tatsächlich benötigte Vorlauftemperatur im Gebäude. Handelt es sich um einen Neubau, sollte diese Bedingung in jedem Fall erfüllt sein. Bei einem Bestandsgebäude sollte die eingestellte Vorlauftemperatur geprüft werden. Ist diese für den Einsatz einer Wärmepumpe zu hoch, bringt eine Wärmebedarfsberechnung häufig Klarheit, ob ein „Sicherheitszuschlag“ berechnet wurde, der früher extrem großzügig ausgelegt wurde.

Welche Fachkompetenz sollte im Handwerksbetrieb für die Montage vorhanden sein?
Wenn Strom mit zunehmender Geschwindigkeit zur Führungs­energie in der Wärmeerzeugung wird, sollte im SHK-Unternehmen entsprechende elektrotechnische Kompetenz vorhanden sein. Bereits in den letzten Jahren sind die Gewerke SHK und Strom weiter zusammengewachsen. Zahlreiche SHK-Unternehmen haben Partnerschaften mit lokalen Elektro-Unternehmen aufgestellt. Oder haben sich direkt eigene Kompetenz ins Haus geholt und einen Elektromeister angestellt. Teilweise haben sich sogar die Innungen beider Gewerke zusammengeschlossen.
Für die Installation aller Systemkomponenten ist in jedem Fall der Eingriff in die Elektroverteilung eines Gebäudes und damit das entsprechende Know-how bzw. die benötigte Qualifikation erforderlich.

Nach welchem Planungsansatz lassen sich Photovoltaik und Batteriespeicher kalkulieren?
Der erste Planungsansatz berücksich­tigt den bisherigen jährlichen Stromverbrauch eines Haushaltes. Werden pro Jahr im Einfamilienhaus beispielsweise 4000 kWh verbraucht, sollte auch das Photovoltaiksystem darauf ausgelegt sein. Je nach Standort und Ausrichtung wird bei einer Photovoltaikanlage mit 800 bis 1000 kWh Ertrag pro kWp installierter Leistung gerechnet. Für die in Deutschland üblicherweise Einstrahlung sollte ein Ansatz von 800 kWh angesetzt werden. Dementsprechend sollte im Fallbeispiel eine Photovoltaikanlage mit einer Leistung von 5 kWp empfohlen werden.
Das impliziert gleichzeitig die Ladekapazität des Batteriespeichers. Hier lautet die Faustformel, dass dieser in etwa die gleiche Kapazität haben soll wie die Leistung der Photovoltaikanlage in kWp. Dementsprechend sollte der Batteriespeicher ca. 5 bis 6 kWh aufnehmen können.
Der zweite Planungsansatz berücksichtigt den Wunsch der Hauseigentümer, z. B. die Bedingungen eines KfW 40 plus-Hauses zu erfüllen. Zugrunde gelegt wird hierbei die erzeugte elektrische Leistung pro Jahr und m² Wohnfläche. Das Ergebnis ist die Mindestgröße der benötigten Photovoltaikleistung. Die Größe des Batteriespeichers wird wiederum auf der Grundlage dieser Zahlen ausgewählt. So lassen sich bestimmte Förderbedingungen und -ziele erreichen. Aktuell werden bei einem KfW 40 plus-Haus 15 000 Euro tilgungsfrei bezuschusst, bei einem KfW 40-Haus nur 10 000 Euro. Für die Differenz von 5000 Euro kann bereits eine größere Investition in die Anlagentechnik stattfinden, die sich rentiert.
Die dritte Möglichkeit besteht darin, den Energiebedarf in der Nacht zu kalkulieren. So lässt sich die Größe des Batteriespeichers berechnen, die damit zur Führungsgröße des Gesamtsys­tems wird. Weil der Tagesertrag einer Photovoltaikanlage naturgemäß je nach Jahreszeit und Sonneneinstrahlung deutlich schwankt, sollte hier ein Durchschnittswert gebildet werden, der ca. drei Viertel des Jahres Gültigkeit hat. Dabei ist zu beachten, dass eine Photovoltaikanlage und ein Batteriespeicher kaum in der Lage sein werden, im Winter den kompletten Strombedarf einer Wärmepumpe zu decken. Denn der Lichteinfall auf die Photovoltaik und damit die Stromproduktion ist im Winter geringer, der Wärme- und dadurch Strombedarf der Wärmepumpe aber höher.
Ziel ist es deswegen immer die Jahresenergiebilanz an produziertem und verbrauchtem Strom auszugleichen. Das heißt: Werden pro Jahr im Gebäude z. B. 5000 kWh Strom verbraucht, sollte auch die Photovoltaikanlage die gleiche Menge liefern. Wird mehr Energie produziert als im Jahr benötigt wird, handelt es sich um ein Plus-Energie-Haus.

Was sollte bei der Zusammenstellung der ­Systemkomponenten berücksichtigt werden?
Die Photovoltaikmodule sind Wind und Wetter ausgesetzt und sollen unter allen äußeren Bedingungen zuverlässig Strom produzieren. Das heißt: Am falschen Ende zu sparen, kann hier am Ende schnell teurer werden als geplant. Für den Fachhandwerker ist vor allen Dingen ein modulares System mit einer einfachen Montage relevant. Aus wenigen Einzelteilen sollten individuelle Photovoltaikanlagen für Ein- und Zweifamilienhäuser erstellt werden. Das vereinfacht die Montage und reduziert die Lagerhaltung. Der Markt bietet an dieser Stelle zahlreiche Systeme und individuelle Möglichkeiten. So können z.B. bei dem „auroPOWER“-System von Vaillant Fachhandwerker die Teile entweder frei zusammenstellen oder eines der vorkonfigurierten Sets nutzen. Die Unterkonstruktion zur Montage der Photovoltaikmodule ist dabei ein Baukastensystem, das sich für Schräg- und Flachdächer eignet. Unter dem Strich spart der Fachhandwerker durch vordefinierte Sets auch hier Zeit.
Gleichfalls zum Photovoltaiksystem zählt der Wechselrichter. Ein transformatorloser Aufbau erhöht die Wirkungsgrade des Gerätes und vermindert das Gewicht. Dies ermöglicht eine schnelle Ein-Mann-Montage. Die Parametrierung direkt am Gerätedisplay erleichtert die praxisnahe Inbetriebnahme so, dass diese ohne Laptop oder Internetanschluss erfolgen kann.
Bei der Auswahl des Batteriespeichers zählen vor allen Dingen Langlebigkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit. Der Batteriespeicher muss möglichst viel Elektrizität speichern und zuverlässig wieder abgeben. Dabei gilt es besonders darauf zu achten, aus welchem Material die Batteriezellen sind. Denn bei einfachen Blei-Gel- oder Blei-Säure-Technologien können unter Umständen nur ca. 50 % der Ladekapazität tatsächlich genutzt werden. Die restliche, gespeicherte Energie kann nicht abgerufen werden, um die Zellen nicht zu beschädigen. Deswegen sollte genau auf die Angaben zur tatsächlichen Nutzkapazität geachtet werden.
Besonders wichtig ist es, dass der Batteriespeicher ein „intelligentes“ Lademanagement besitzt. Er muss selbst entscheiden können, wann welche Beladung und Entladung auf der Grundlage des typischen Verbrauchs im Haus sinnvoll ist. Durch eine Onlinevernetzung und den Abruf von standortbezogenen Wetterprognosen sollte das System zudem den voraussichtlichen Ertrag an elektrischer Energie planen können. Praxisnah ist es auch, wenn sich der Batteriespeicher einfach nachträglich mit neuen Modulen erweitern lässt. Zudem ist auch die Lebensdauer ein wichtiges Kriterium. Vor diesem Hintergrund ist z. B. der „Vaillant eloPACK“ für ca. 10 000 Vollladezyklen ausgelegt. Das entspricht einer Lebenserwartung von etwa 20 Jahren.
In puncto Wärmepumpe bieten Markt und Hersteller ein umfassendes Programm an teils hoch individualisierbaren Produkten an. Hier auf die empfehlenswerten Details einzugehen, würde den Rahmen des Beitrags sprengen. Relevant ist aber der Ansatz, in jedem Fall auf einen Systemanbieter zu setzen, der alle Produkte aus einer Hand zusammen mit einer gemeinsamen Regelung liefern kann. So lässt sich ein abgestimmtes System leichter integrieren, das durch sein Zusammenspiel zudem eventuell eine bessere Effizienz verspricht. Letztendlich hat der Systemgedanke für das Fachhandwerk aber auch ganz praktische Gründe, in puncto Ansprechpartner und Produkthaftung. Gerade bei Anlagen aus mehreren Bestandteilen ist es hierzu vorteilhaft, einen einzigen Ansprechpartner zu haben.

Worin unterscheidet sich der Planungsansatz im Vergleich zu einer konventionellen Wärmeerzeugung?
Während bei der konventionellen Wärmeerzeugung der Heizwärme- bzw. Warmwasserbedarf im Mittelpunkt stehen, dreht es sich bei einem System aus Photovoltaik, Batteriespeicher und Wärmepumpe um die ganzheitliche Betrachtung der Energieströme im Haus. Das impliziert mehrere Möglichkeiten zur Herangehensweise im Planungsansatz.
Gleichzeitig beeinflussen mehrere Parameter die einzelnen Komponenten in ihrer Leistung. Das betrifft beim zuvor genannten Anlagenansatz z. B. auch die mögliche Kühlung eines Gebäudes mit der Wärmepumpe. Diese kann abhängig von der jeweiligen Wärmepumpe aktiv oder passiv erfolgen. Hierzu muss wiederum eine Kühllastberechnung in der Planungsphase durchgeführt werden. Dies bedingt wiederum Auswirkungen auf die Auslegung des Gesamtsys­tems. Denn z. B. gerade dann, wenn die Photovoltaikanlage im Sommer sehr viel Strom produzieren kann, ist der Strombedarf für die Kühlung am höchsten. Insofern könnte der Batteriespeicher ggf. mit einer geringeren Kapazität geplant werden. Gleichzeitig muss aber auch das Verteilsystem im Gebäude auf die Anforderung der Kühlfunktion ausgelegt sein.

Fazit
Neue und seltene Systemkombinationen mit Photovoltaik, Batteriespeicher und Wärmepumpe? Das gilt schon lange nicht mehr. Mit beeindruckender Geschwindigkeit hat sich das System in die Top-Wunschliste von Hauseigentümern katapultiert. Verspricht es doch eine höhere finanzielle Unabhängigkeit von den Entwicklungen am Markt und gleichzeitig langfristig kalkulierbare Betriebskosten. In der Planung müssen Fachhandwerker jedoch auf einen ganzheitlichen Ansatz achten, der die Energieströme im Gebäude insgesamt berücksichtigt.

Bilder: Vaillant

www.vaillant.de

 


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