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Mehr Solarstrom für die Wärmepumpe

Der technischen Zusammenführung von Wärmepumpe und Photovoltaikanlage wird eine große Zukunft vorhergesagt. Auf der ISH 2017 werden neue Produktlösungen vorgestellt

So visualisiert Stiebel-Eltron die Komplettlösung mit Photovoltaik für Neubauten. Die Wärmepumpe und die PV-Anlage ist mit einem thermischen Energiemanagementsystem aus dem eigenen Hause und dem „Sunny-Home-Manager“ von SMA Solar Technology verbunden. Bild: Stiebel Eltron

Ab 1. Juli diesen Jahres bietet Vaillant PV-Wärmepumpenkomplettsys­teme an. Der Stromspeicher „Elopack“ (rechts) ist jetzt schon erhältlich. Bild: Vaillant

Wärmepumpe, Photovoltaik und Stromspeicher: ein Komplettsystem aus dem Hause Vaillant. Bild: Vaillant

Im Technikraum: Das Wärmepumpen-Innenmodul und der Wärmespeicher. Bild: Stiebel Eltron

Die Sole/Wasser-Wärmepumpe „WWP S6 IH“ (Weishaupt) kann mit einer PV-Anlage kommunizieren. Überschüssiger Solarstrom wird in Form von Wärme im 300-l-Trinkwasserspeicher eingelagert. Bild: Weishaupt

In dem grauen Schrank verbirgt sich der „Creativ-Wärme-Manager“ von KHB-Creativ Wohnbau. Mit dem PV-Wärmepumpensystem will das Unternehmen solare Deckungsgrade von über 50 % realisieren. Bild: KHB-Creativ Wohnbau

In dem Gehäuse des Kombi-Hydromoduls von Panasonic finden ein 185-l-Speicher und das Wärmepumpen-Innenmodul Platz. Bild: Panasonic

Die Wärmepumpen und Solarthermieanlagen der Roth-Werke können mit PV-Anlagen kommunizieren, auch wenn die Energieströme auf diesem Foto nicht dargestellt sind. Bild: Roth

Prof. Volker Quaschning ist gegenüber PV-Wärmepumpensystemen positiv eingestellt...

... während Prof. Timo Leukefeld diese Technik kritisch sieht.

 

Die Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik liegt im Trend und wird sich aller Voraussicht nach weiter durchsetzen. Damit Wärmepumpen aber auch tatsächlich Solarstrom nutzen und nicht nur bilanziell gut dastehen, müssen die Anlagen miteinander kommunizieren können. Hierfür und zur PV-Eigenverbrauchserhöhung gibt es neue technische Lösungen.

Kaum ein Thema polarisiert so sehr wie das Heizen mit Strom, genauer gesagt mit Wärmepumpe und Solarstrom. Ist dies eine sinnvolle Kombination für die Energiewende und den Klimaschutz? Die Bundesregierung scheint die Frage für sich geklärt zu haben: Nach dem Pilotprojekt „Effizienzhaus Plus“ in Berlin wurde der Standard „KfW-Effizienzhaus 40“ geschaffen, der mit einem PV-Wärmepumpensystem einfach zu erreichen ist.
In dem zusätzlichen Standard „KfW-Effizienzhaus 40 Plus“ wird die Regierung noch expliziter. Das „Plus-Paket“ beinhaltet eine „stromerzeugende Anlage auf Basis Erneuerbarer Energien“, einen Batteriespeicher, eine Lüftungsanlage und die Visualisierung der Energieströme.

Revival für Stromheizungen  
Seit dem Jahr 2010 etwa gewinnt das Heizen mit Strom wieder an Bedeutung. Zu der Zeit erreichte der Photovoltaik-Zubau in Deutschland Rekordwerte, das Thema Eigenverbrauch von Solarstrom rückte in den Fokus. Mit sogenannten Plusenergiehäusern, die sich durch einen Energie­überschuss am Jahresende kennzeichnen, wurde die Kombination Wärmepumpe und Photovoltaik öffentlichkeitswirksam beworben.
Allerdings ist sie auch nicht unumstritten. Denn das zeitliche Auseinanderklaffen der Solarstromerzeugung im Sommer und des Strombedarfs für Heizungswärmepumpen im Winter sorgt erst einmal nicht für einen hohen Photovoltaik-Eigen­verbrauch. Dass Wärmepumpen in der Lage sein sollten, auch im Winter real mehr Solarstrom zu nutzen als bisher, ist auch Ziel der Produktentwickler. Daher arbeiten die Hersteller an Lösungen zur PV-Eigenverbrauchserhöhung. In den vergangenen Jahren hat sich hier einiges getan.

Anbindung an Smart Grids
2013 war die Kommunikation zwischen Wärmepumpe und Photovoltaikanlage noch kein großes Thema. Nur wenige Hersteller konnten Geräte präsentieren, bei denen die Wärmepumpe tatsächlich aktiviert wurde, wenn die Anlage auf dem Dach Solarstrom erzeugte. Vorreiter waren Panasonic und Stiebel Eltron. Letzterer bietet solche Geräte nach eigenen Aussagen schon seit 2008 an.
Der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) nahm sich des Themas an. Er entwickelte zusammen mit Verbandsmitgliedern das „SG Ready“-Label, wobei SG für „Smart Grid“ bzw. intelligentes Stromnetz steht.
„Das Label bescheinigt die Eignung von Wärmepumpen für den sogenannten stromgeführten Betrieb“, erklärt Matthias Elsasser, Produktmanager bei Rotex Hea­ting System, und erläutert den Hintergrund der Entwicklung: „Um die Stromnetze nicht zu überlasten, werden häufig Windräder abgeschaltet, wenn mehr Strom produziert als benötigt wird. Um bei Stromspitzen die Windräder nicht abschalten zu müssen, können Wärmepumpen diesen Strom in thermische Energie umwandeln, die dann in einem Speicher gelagert wird.“ Dafür benötigt die Wärmepumpe eine entsprechend „smarte“ Regelungstechnik, zu erkennen am „Smart Grid Ready“-Label. Alternativ kann die SG Ready-Schnittstelle von einem PV-Managementsystem genutzt werden.

SG Ready-Label weit verbreitet
Der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) vergibt das kostenpflichtige Label für Smart-Grid-fähige Wärmepumpen. Eine Übersicht mit Stand Oktober 2016 listet 1021 Modelle auf.  
Einige Beispiele: Viessmann hat die ersten Wärmepumpen schon 2012 in den Markt eingeführt. „Prinzipiell sind alle neuen Viessmann-Wärmepumpen netzwerkfähig bzw. Smart-Grid-Ready“, sagt Pressereferent Wolfgang Rogatty zum aktuellen Stand. Mit dem neuen WLAN-Modul „Vitoconnect“ seien sie außerdem auch internetfähig. Damit können die Wärmepumpen zum Beispiel auch über Smartphones gesteuert werden.
Stiebel Eltron bietet seit 2013 Wärmepumpen mit dem SG-Ready-Label an. „Im Prinzip haben alle Standardgeräte das Label, das sind etwa 95 %“, sagt Produktmanager Oliver Bast. Nur einige Sonderlösungen seien nicht für das SG-Ready-Label angemeldet.
Rotex führt seine „HPSU compact“-Wärmepumpen ebenfalls seit 2013 mit dem Label. Und auch Weishaupt war nach Aussage von Horst Braun, Vertriebsleiter für Wärmepumpen, „von Anfang an dabei“.
Andere Hersteller zogen später nach. So sind Vaillant-Wärmepumpen seit 2015 mit der SG-Ready-Funktion ausgestattet. Die Baureihen der Warmwasser-Wärmepumpe „aro Stor“ und die der Heizungs-Wärmepumpen „flexo Therm“, „flexo Compact“ und „aro Therm“ lassen sich über die SG-Ready-/PV-Ready-Funktion von einer Photovoltaikanlage ansteuern.
Buderus folgte im gleichen Jahr. Alle Wärmepumpen bis 14 kW (Luft/Wasser) und 17 kW (Sole/Wasser) aus eigener Fertigung sowie die Warmwasser-Wärmepumpen besitzen serienmäßig das SG-Ready-Label.
Bei Panasonic ist es seit Januar 2015 der Fall. Alle „Aquarea“-Split-Wärmepumpen der neuen H-Generation, die es seit Oktober 2015 gibt, können mit einer Zusatzplatine (CZ-NS4P) ausgerüstet werden, welche die Kopplung mit PV-Anlagen ermöglicht. Die „Aquarea“-Wärmepumpen (Split- und Kompaktgeräte) älterer Generationen können mit einem zusätzlichen Regler (PAW-HPM1) für die Kopplung mit PV-Anlagen ausgerüstet werden.

SG-Ready-fähig ohne Label
Aber es gibt auch Hersteller, die auf das SG-Ready-Label verzichten, so z. B. die Roth-Werke. „Wir haben das Label nicht, unsere Wärmepumpen sind aber SG-Ready-fähig“, betont Jens Haffner, Leiter des Bereichs Forschung und Entwicklung Ener­gieerzeugung, und weist auf die Kos­ten hin, die in Form einer Lizenzgebühr für jedes Gerät anfallen.
Die SG-Ready-Anwendung ist eine Möglichkeit der Kommunikation zwischen Wärmepumpe und PV-Anlage. Bei dieser Option ist ein Eingangssignal im Regler hinterlegt. „Das Signal geht an die Wärmepumpe, sobald genügend Strom produziert wird“, erklärt Haffner. „Der Speicher wird dann auf 50 oder 55 °C hochgeheizt.“ Hat die Wärmepumpe die maximale Temperatur von 60 °C erreicht und möchte der Kunde noch mehr Solarstrom nutzen, kann er – zumindest bei den Produkten der Roth-Werke – noch einen zusätzlichen Heizstab nutzen. Damit wird das Wasser im Speicher dann weiter erhitzt.
Die Roth-Werke haben ausschließlich Heizungswärmepumpen im Programm. Andere Hersteller bieten zudem Trinkwasserwärmepumpen an, die sich mit PV koppeln lassen. Da der Energiebedarf für das warme Wasser übers Jahr gesehen relativ konstant anfällt, lässt sich der PV-Strom bei Trinkwasser-Wärmepumpen gut nutzen. Allerdings ist der Strombedarf hier vergleichsweise gering.

Mit dem Energiemanager kommunizieren
Eine ausgefeiltere Möglichkeit der Kommunikation zwischen Wärmepumpe und PV-Anlage sind Energiemanagementsys­teme. Bei dieser komplexeren Variante werden alle Energieströme im Haushalt berücksichtigt und die Wärmepumpe entsprechend gesteuert.
Stiebel Eltron beispielsweise nutzt ein thermisches Energiemanagementsystem aus dem eigenen Hause sowie den „Sunny Home Manager“ des Wechselrichterherstellers SMA für das elektrische Energiemanagement. Es werden verschiedene Einflussfaktoren berücksichtigt. Oliver Bast erläutert die Funktionsweise: „Es werden sowohl eine Ertragsprognose der PV-Anlage anhand der Wettervorhersage als auch eine Strom-Verbrauchsprognose erstellt. Dazu lernt das System aus bisherigen Daten und errechnet die zu erwartende Sonnenstrommenge für den nächs­ten Tag – inklusive der Heizungsanlage, die ein Stück weit als thermische Speicher­option genutzt werden kann.“
Buderus bzw. die Mutterfirma Bosch entwickelt gerade ein Energiemanagementsystem, das ab Ende dieses Jahres erhältlich sein soll. Neben der Kopplung PV und Wärmepumpe wird der Energiemanager den kompletten Energiefluss aller Verbraucher, die daran angeschlossen sind, steuern. Das neue Produkt ist Teil eines Drei-Stufen-Angebotes, wie Peter Kuhl, Produktmanager für Wärmepumpen bei Buderus Deutschland, sagt: „Als Basis bieten wir die Einbindung der PV-Anlage über die SG-Ready-Funktion in der Regelung an. Als weitere Ausbaustufe kann der Kunde ein Batteriespeichersystem integrieren und als Endausbaustufe das Energiemanagementsystem inklusive der Einbindung von weiteren elektrischen Verbrauchern im Gebäude und Integration in die Hausautomation.“ Rotex arbeitet aktuell mit einem externen Hersteller zusammen, um in Zukunft eine Lösung für das Energiemanagement anbieten zu können.

Solarstrom für große Heizungsspeicher
Auch von anderen Seiten kommen Entwicklungen zur Optimierung von PV-Wärmepumpensystemen. So hat das Heilbronner Bauunternehmen KHB-Creativ Wohnbau ein Energiemanagementsystem mit dem Namen „Creativ-Wärme-Manager“ entwickeln lassen. „Unser Ziel ist es, den Netzstrombezug für die Wärmeversorgung zu minimieren und den solaren Autarkiegrad zu maximieren“, sagt Geschäftsführer Rainer Körner. Hintergrund ist, dass KHB auf Sonnenhäuser spezialisiert ist, die zu mindestens 50 % solar beheizt werden. Körner nutzt hierfür bevorzugt PV-Wärmepumpensysteme.
Marktübliche Kombisysteme erreichen nach Meinung von Körner einen „verhältnismäßig geringen solaren Deckungsgrad“ an der Wärmerzeugung und erklärt: „PV-Anlage, Wärmepumpe und Speicher sind zu gering dimensioniert. Insbesondere wird die Wärmepumpenleistung und Speichergröße nur knapp nach dem Wärmebedarf ausgelegt, schöpfen also das solare Überschusspotenzial während der Heizperiode nicht aus.“ Außerdem erfolge i. d. R. keine echte regelungstechnische Anpassung der Wärmepumpe an die Photovoltaikanlage unter Berücksichtigung des momentan verbrauchten Haushaltsstroms.
Hier setzt der „Creativ-Wärme-Manager“ an. Er hat zwei Hauptfunktionen: Zum einen passt er die elektrische Aufnahmeleistung der modulierenden Wärmepumpe dem Solarstromangebot an. Zum anderen sorgt er dafür, dass die erzeugte Wärme einem großen Wasserspeicher, der mehrstufig be- und entladen werden kann, zugeführt wird. Das Energiemanagementsystem nutzt KHB-Creativ Wohnbau zusammen mit Mitsubishi-Heizungswärmepumpen, die sich von dem externen Gerät ansteuern lassen.
Der einzige Hersteller mit dieser Option ist Mitsubishi nicht mehr. Auch Viessmann-Wärmepumpen können nach Aussage von Wolfgang Rogatty mittlerweile von Energiemanagementsystemen anderer Anbieter angesteuert werden.

PV-Speicher im System
Größere Wärmespeicher sind eine Möglichkeit, den PV-Eigenverbrauch in Form von gespeicherter Heizenergie zu erhöhen. Doch schon zeichnet sich der nächste Trend ab: Es werden vermehrt PV-Batteriespeicher in die Systeme integriert. Dies ist wenig erstaunlich, zum einen, da der KfW-40-Standard in die Richtung weist, aber auch, weil PV-Speicher immer güns­tiger und populärer werden.
Viessmann bietet seinen „Vitocharge“-Stromspeicher für PV-Wärmepumpensys­teme an. Vaillant hat den PV-Speicher „Elopack“ im Programm. Andere präsentieren auf der ISH entsprechende Produkte. Buderus beispielsweise stellt „ein Neubau-System“ vor, das neben der Wärmepumpe eine PV-Anlage, einen Batteriespeicher und ein Energiemanagementsys­tem zur Einbindung weiterer Geräte wie eine Waschmaschine und einen Trockner beinhaltet.
Stiebel Eltron wird elektrische Speicher vorstellen, mit denen die KfW-40-Plus-Vorgaben erreicht werden können. „Wir weisen auf die Vorteile dieser Lösungen hin und präsentieren Beispielrechnungen, die beweisen, wie wirtschaftlich eine solche Lösung ist“, kündigt Bast an. Diese dürften Aufschluss darüber geben, ob sich die Einbindung eines PV-Speichers tatsächlich lohnt. Denn i. d. R. ist im Winter nicht allzu viel Solarstrom zum Speichern übrig, und ein Batteriespeicher ist – deutlicher Preissenkungen zum Trotz – doch noch mit Kosten von mehreren Tausend Euro verbunden.

Restbedarf decken
Um den PV-Eigenverbrauch in Wärmepumpensystemen zu erhöhen, werden die Anlagen also komplexer und PV-Heimspeicher integriert. Trotzdem bleibt die Frage, wie der Reststrombedarf nach Möglichkeit regenerativ gedeckt werden kann. Stiebel Eltron bietet hierfür „garantiert regenerativen Strom aus Deutschland“ mit dem Label „Umwelt Strom Plus“ an. Viessmann greift auf die fossilen Ener­gieträger zurück. Die Hybrid-Wärmepumpe mit integriertem Wärmeerzeuger bietet die Möglichkeit, automatisch auf Gas oder Heizöl zu wechseln, wenn nicht mehr ausreichend PV-Strom zur Verfügung steht.

Neuheiten auf der ISH
Auch andere Neuheiten auf der ISH berühren das Thema PV und Wärmepumpe. Vaillant stellt sein neues PV-System „Auropower“ mit drei PV-Modulen für unterschiedliche Anwendungen und fünf Wechselrichtern in verschiedenen Leis­tungsklassen vor. Außerdem wird nun ein Erweiterungsmodul zum Einspeisemanagement, das die Ansteuerung der SG Ready-Funktion der Wärmepumpen ermöglicht, erhältlich sein. Zum 1. Juli dieses Jahres führt Vaillant ein PV-Wärmepumpen-Komplettsystem in den Markt ein. Weishaupt wird eine neue Generation von Luft/Wasser-Wärmepumpen (Split) vorstellen, die auch Eigenstrom nutzen können.
Rotex wird einen LAN-Adapter präsentieren, der den Anschluss von bestehenden und neuen Anlagen verschiedener Wärmepumpen an intelligente Stromnetze ermöglicht. Panasonic stellt unter anderem ein Kombi-Hydromodul der neuen „Aquarea H“-Serie vor. Dabei sind ein 185-l-Speicher und das Wärmepumpen-Innenmodul in das Gehäuse integriert.

Schlussbemerkung
Offensichtlich ist: Es gibt signifikante Weiterentwicklungen, damit Wärmepumpen nicht nur bilanziell, sondern ganz real mehr Solarstrom nutzen. Über die Wirtschaftlichkeit und Sinnhaftigkeit einiger Weiterentwicklungen wird es sicher noch Diskussionen geben. Ein Sektor, der noch dazu kommen wird, ist die Kühlung mit überschüssigem Solarstrom im Sommer. Doch das ist vorerst eine Perspektive für die Zukunft.
Die Nachfrage für PV-Wärmepumpensysteme ist in jedem Fall vorhanden – Tendenz steigend, teilen die Hersteller mit. Die befragten Unternehmen äußern sich sehr zufrieden zur Nachfrage im vergangenen Jahr, vor allem für Systeme für den Neubau-Sektor und KfW-40-Häuser. Gründe dafür seien auch die verschärften Anforderungen in der Energieeinsparverordnung (EnEV) sowie die verbesserte Förderung für Wärmepumpen im Marktanreizprogramm. Nimmt man noch die strategische Ausrichtung der Bundesregierung zur Wärmewende mittels Strom dazu, scheinen die Weichen auf Marktwachstum gestellt.

Autorin: Ina Röpcke, freie Journalistin

 

 

Heizen mit Wärmepumpe und Solarstrom: ja oder nein?

 

Seitdem das Heizen mit Strom durch hohe Zubauraten bei Photovoltaik- und Windenergieanlagen wieder populär geworden ist, werden Debatten über die Sinnhaftigkeit von Photovoltaik-Wärmepumpensystemen geführt. Können mit Wärmepumpen die Klimaschutzziele erreicht werden? Sind sie der Schlüssel zur Wärmewende?

 

Volker Quaschning, Professor für Regenerative Energie an der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin, ist der Überzeugung, dass es eine zielführende Lösung ist. „Wenn wir die Klimaschutzziele ernst meinen und nicht die Zukunft unserer Kinder in den steigenden Meeresspiegeln versenken wollen, brauchen wir bereits 2040 eine Wärmeversorgung, die ganz ohne Erdgas und Erdöl auskommt“, betont er. „In Deutschland kommen im Wesentlichen Wärmepumpen infrage, die mit erneuerbarem Strom laufen. Wo deren Einsatz technisch nicht möglich ist, können Gasheizungen genutzt werden, wenn das Gas zuvor aus Überschussstrom aus Solar- und Windkraftanlagen erzeugt wurde.“
Anders sieht es Timo Leukefeld, Honorar-Professor für Solarthermie an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg. Er macht auf das zeitliche Auseinanderklaffen der Solarstromerzeugung im Sommer und des Strombedarfs der Wärmepumpe im Winter aufmerksam, eine Tatsache, die er als „saisonale Illusion“ bezeichnet. Seinen Berechnungen zufolge erzeugen PV-Anlagen 80 % ihres Jahresertrags im Sommer, Heizungswärmepumpen hingegen benötigen etwa 80 % ihres Strombedarfs im Winter. Das bedeute, so Leukefeld, dass Wärmepumpen derzeit noch einen Großteil des Stroms aus dem Netz beziehen, der noch von Kohlekraftwerken stamme.
Wärmepumpen müssten nicht nur mit Photovoltaikstrom, sondern auch mit Strom aus anderen erneuerbaren Kraftwerken wie der Windkraft laufen, so Quaschning. „Mehr als die Hälfte unserer künftigen Stromversorgung wird durch die Windkraft gedeckt werden und die liefert im Winter mehr Strom als im Sommer.“ Dies deutet auf einen entscheidenden Punkt in der Diskussion hin: Von welchem Zeithorizont ist die Rede? Wird der heutige Stand betrachtet oder der in einigen Jahrzehnten, wenn die Energiewende fast vollzogen ist?
Denn auch Leukefeld ist nicht grundsätzlich gegen Wärmepumpen. „Wir müssen das Stromnetz und das Gasnetz grüner machen“, lautet seine Forderung. Das heißt, mehr regenerativ erzeugten Strom in die Netze bringen.
Auch Quaschning hat Forderungen, damit PV-Wärmepumpen sinnvoll betrieben werden. „Wichtig ist eine möglichst gute Gebäudedämmung. Und die Wärmepumpen müssen ihren Strombedarf an das Angebot anpassen können, also regelbar sein.“

 

 

 

 


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