Solarwärme und Photovoltaik im Zusammenspiel
Ein Praxisbeispiel zeigt, dass das Duo trotz wenig Speicherkapazität viel erreicht
Die Solaranlagen tragen zu jeweils drei Vierteln zur Strom- und Wärmeversorgung des Sonnenenergie-Hauses bei. Die Dachausrichtung ist in Süd-West. (ReSys)
Die Wärmebilanz des Gebäudes über drei Jahre zeigt, dass über weite Strecken des Jahres die Solarwärmeanlage für die Wärmeversorgung ausreicht. (Solarthermie-Jahrbuch/Quelle: ReSys)
Strombilanz des Gebäudes über drei Jahre. (Solarthermie-Jahrbuch/Quelle: ReSys)
* im Vergleich zur Standardheizung Gasbrennwert, inklusive Förderung (ReSys)
Um Strom und Wärme zu jeweils drei Vierteln von der Sonne zu ernten, braucht das Eigenheim keine riesigen Modulflächen. Eine gut abgestimmte Kombination aus Photovoltaik und Solarthermie reicht aus, wie ein Sonnenhaus aus Freiburg zeigt.
Seit Herbst des Jahres 2015 wohnt eine dreiköpfige Familie in einem so genannten Sonnenenergie-Haus der ReSys AG. Das Einfamilienhaus mit 161 m2 Wohnfläche liegt in Umkirch, einer Gemeinde am Stadtrand von Freiburg. Das Gebäude ist mit einer Solarheizung ausgestattet. Die Solarwärme-Anlage erbringt 14 kW Leistung und verfügt über einen Wärmespeicher mit 1100 l Wasserinhalt. Das entspricht 60 bis 80 kWh Wärmespeicherkapazität. Als Ergänzung für die Sonnenheizung dient ein wasserführender Kaminofen, den die Bewohner automatisch mit Pellets oder manuell mit Scheitholz befeuern können. Das in Holzständerbauweise konzipierte Haus erfüllt die Kriterien des KfW-Effizienzhauslevels 40 Plus. Dazu trägt neben der entsprechend guten Dämmung auch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung bei.
Weitere Details
Für die Stromversorgung des Hauses ist eine Photovoltaik-(PV)-Anlage mit 5,2 kW Leistung installiert. Diese kann rund 4 kWh Strom in einen Lithium-Ionen-Batteriespeicher zwischenspeichern.
Das Haus steht auf einer Bodenplatte und ist nicht unterkellert. Die gesamte Haustechnik passt in einen 14 m2 großen Hauswirtschaftsraum, der außerdem noch genug Platz für die Waschmaschine, einen Wäscheständer und Kühlgeräte bietet. Im Vergleich zu anderen Sonnenhäusern sind die Solaranlagen und Speicher klein ausgelegt. Das Dachgeschoss ist nicht ausgebaut, böte aber die Möglichkeit für Dachfenster. Die Flächen dafür sind freigehalten. Das ist möglich, weil die Solaranlagen nicht die komplette Dachfläche belegen.
Solare Deckung erreicht drei Viertel
Vom Einzug bis heute haben Sensoren die Energieverbräuche und Energieerzeugungen des Gebäudes erfasst. Über einige Zeit war es Teil der wissenschaftlichen Untersuchungen im Projekt Solsys. In diesem Projekt haben Forscher des Fraunhofer ISE, des Instituts für Gebäude- und Solartechnik der TU Braunschweig und der Solar- und Wärmetechnik Stuttgart (SWT) verschiedene Sonnenhauskonzepte untersucht und verglichen.
Die Messungen belegen, dass die in der Planung angepeilte solare Deckung erreicht wird. Ziel war es, jeweils drei Viertel des Strom- und Wärmebedarfes mit Sonnenenergie zu decken. Im Mittel der Jahre 2016 bis 2018 betrug der solare Deckungsgrad bei der Heizung 76 %, nahezu eine Punktlandung. Bei einem Jahreswärmebedarf von 7757 kWh konnte die Solarwärmeanlage 5895 kWh pro Jahr bereitstellen.
Noch genauer erfüllt die Strombilanz die Planung. Die solare Deckung liegt hier bei 75,1 %. Vom Jahresstromverbrauch von 2835 kWh konnte die PV-Anlage 2128 kWh abdecken. Nur 708 kWh pro Jahr musste die Familie vom Stromversorger beziehen. Insgesamt hat die Photovoltaik-Anlage im Mittel der drei Jahre 6077 kWh Sonnenstrom pro Jahr erzeugt. Das heißt, dass der Eigenverbrauch bei 39,9 % lag. 60,1 % speiste die Solarstromanlage in das Netz ein.
Solarwärmeertrag im Sommer begrenzt
Obwohl die Nennleistung der Solarwärme-Anlage fast dreimal so groß ist wie die der Photovoltaikanlage, ernten beide Anlagen fast gleich viele Kilowattstunden von der Sonne. Denn der überschüssige Sonnenstrom kann in das Netz eingespeist werden, während die Solarwärme-Anlage abgeregelt werden muss, wenn der Speicher voll ist. Die Stromerzeugung der Photovoltaikmodule folgt dem Jahresverlauf mit dem Maximum im Sommer. Dagegen erzielt die Solarwärme-Anlage ihre besten Erträge in März und April. Dann ist der Wärmebedarf im Haus durch die Heizung noch hoch und der Sonnenstand reicht schon aus, um kräftig Solarwärme zu ernten. Im Sommer sinkt der Solarertrag dann ab, denn nun können die Kollektoren nur noch den Warmwasserbedarf und die Zirkulationsverluste decken.
Keine großen Speicher
Die klassische Sonnenheizung eines Sonnenhauses beruht auf einem mehrere Kubikmeter großen Speicher. Dieser große Speicher hat zwei Aufgaben. Er sammelt die überschüssige Solarwärme der Sommermonate ein und bewahrt sie für die Wintermonate auf. Außerdem sorgt er dafür, dass die Solaranlage im Sommer nur selten abgeregelt werden muss. Denn die Abregelung einer Solarwärme-Anlage bedeutet, dass die Sonnenkollektoren in Stagnation gehen. Die Wärme wird nicht mehr abgeführt und dadurch heizen sich die Kollektoren sehr stark auf. Das belastet das Material und vor allem den Wärmeträger, der aus einer glykolhaltigen Frostschutzlösung besteht.
Beim Sonnenenergie-Haus reicht die Speichergröße nicht aus, um Stagnation zu verhindern. Darum setzt ReSys hier Vakuumröhrenkollektoren von Paradigma ein, die nicht mit Frostschutz, sondern mit Wasser gefüllt sind. In der Stagnation verdampft das Wasser, ohne Schaden zu nehmen.
Sonnenheizung amortisiert sich
Das Wohnen in einem Sonnenenergie-Haus ist nicht nur sehr klimafreundlich, es lohnt sich auch. ReSys-Geschäftsführer Gerd Schallenmüller beziffert die Mehrkos ten für die Haustechnik im Vergleich zu einer konventionellen Heizung auf 15 000 Euro. Die Einsparungen durch vermiedene Strom- und Wärmekosten belaufen sich auf etwa 1000 Euro. Hinzu kommt die Vergütung für den eingespeisten Solarstrom in Höhe von knapp 300 Euro. Damit amortisiert sich die Haustechnik nach knapp 12 Jahren. Außerdem liegen 20 Jahre lang die Energiekosten bei Null, weil die Einspeisevergütung für den Solarstrom die geringen Kosten für Netzstrom und Holz übersteigt.
Auch in der Sanierung und im Mehrfamilienhaus kann das Sonnenenergie-Haus-Konzept greifen. Statt dem Holz ofen kann dabei auch eine Kombination mit einem Gaskessel oder einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Das Zusammenspiel von Dämmung, Lüftung mit Wärmerückgewinnung, Solarthermie und Photovoltaik kann auch bei einem solchen Gebäude dazu führen, dass die Sonne frei Haus bis zu drei Viertel der Energie für Strom und Wärme liefert.
Autor: Jens-Peter Meyer, freier Journalist mit den Schwerpunkten Erneuerbare Energie, Wärmeversorgung und Sektorenkopplung
Weitere Infos:
Projekt Solsys: www.solare-energieversorgung.de
SonnenEnergieHaus Umkirch: www.sonnenenergiehaus.de
Solarthermie-Jahrbuch 2020:
Der Beitrag ist im diesjährigen Solarthermie-Jahrbuch 2020 „Solare Wärme“ erschienen. Man kann das Jahrbuch online auf www.solarthermiejahrbuch.de bestellen. Als Print kostet es 14 € (inkl. Porto und Verpackung). Auf 147 Seiten gibt es eine Fülle von Informationen zu Technik, Trends und Praxis in der Solarthermie.
