Wärmepumpe in Kombination mit PV

Es ist Ende November, die Tage sind grau, nass und kalt. Die Bäume lassen ihr Laub fallen und fahren ihre inneren Lebensfunktionen zurück. Wir müssen uns zum Glück nicht in so einen Sparmodus versetzen, wir können uns wärmer anziehen oder in unseren eigenen vier Wänden einfach die Temperatur des Sommers aufrechterhalten.

Mit hohem Energieaufwand sorgen wir für wohlig warme Temperaturen in unseren Häusern und überbrücken die kalten Zeiten. Hoher Energieaufwand ist jedoch etwas, was im 21. Jahrhundert nicht unbedingt positiv klingt, denn unserem Portemonnaie und der Umwelt zuliebe sollte die Energiemenge zum Heizen von Wasser und Luft so gering wie möglich sein.

Ein interessanter Punkt dabei ist die Wärmepumpe. Sie ist einer, wenn nicht sogar der effizienteste und nachhaltigste Wärmeerzeuger, den es zurzeit gibt. Mit möglichst geringem Energieaufwand werden Temperaturunterschiede genutzt um Wärmeenergie zu „tauschen“. Also die sich abkühlende Luft in unserer Wohnung mit Wärme von draußen tauschen…

Wie das genau funktioniert und warum sich dieses Prinzip sehr gut mit Photovoltaik kombinieren lässt erkläre ich hier.

Wärmepumpe erklärt

Das Prinzip hinter der Wärmepumpe ist jedem bekannter als er vielleicht denkt, denn jeder Kühlschrank oder jede Klimaanlage nutzt denselben Mechanismus. Einem Medium wird Wärme entzogen und einem anderen zugeführt. Dafür wird elektrische Antriebsenergie für den Verdichter und ein Kältemittel in einem Kreislauf benötigt. Die Wärmepumpe hebt und senkt verschiedene Temperaturniveaus um damit unsere Räume gezielt zu heizen. Um die Temperatur von z.B. unserem hydraulischen Heizmedium zu heben, wird das Kältemittel in seinem Temperaturniveau gesenkt und kondensiert, damit es eben diese Wärmeenergie abgibt. Zuvor hat das Kältemittel genau diese Menge aus der Umgebung durch Verdampfung aufgenommen und wurde durch die Verdichtung auf ein höheres Niveau gebracht.

Am besten lässt sich das mit einer Grafik verstehen:

Bei der Wärmepumpe wird ein Kältemittel von hohem Druck auf einen niedrigen entspannt. Durch den vorherigen hohen Druck wurde das Kältemittel im flüssigen Zustand gehalten, nun, da es entspannt wurde, kann es durch Wärmeaufnahme in den  gasförmigen Zustand übergehen, dabei kühlt das Trägermedium (hellblau) deutlich ab und nimmt dann Wärmeenergie aus der Umgebung auf. Ein Beispiel dafür sind Spraydosen.

Wer schon einmal mit einer Spraydose gesprüht hat, hat vielleicht gemerkt, dass der eigene Finger auf dem Spraykopf kalt wird. Der Inhalt aus der Spraydose wird gasförmig und kühlt dabei ab. Anschließend nimmt es die Wärmenergie unseres Fingers auf, um sich anzugleichen. So funktioniert auch das Wärmepumpensystem:

Nachdem das Trägermedium (hellblau) in der Umgebung (Aerothermie, Hydrothermie oder Geothermie) wieder Energie aufgenommen hat, kann es diese über einen Wärmetauscher an das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf abgeben und das führt zum Verdampfen desselben – das Kältemittel „kocht“ im Verdampfer (blau / blau Punkt) bei sehr niedriger Temperatur durch eben die Zufuhr dieser Umweltwärme. Im nächsten Schritt wird durch den Verdichter der Druck des gasförmigen Kältemittels deutlich erhöht (rote Punkte, als ob man den versprühten Inhalt wieder in die Spraydose zwingt). Unter dem hohen Druck „erscheinen“ die Rippen das Kondensatorwärmetauschers für das Kältemittel kühl und es kommt zur Kondensation. Der Clou ist, dass durch die Druckerhöung der Siedepunkt des Kältemittels nach oben verschoben wird – Verdampfung auf niedrigem Temperaturniveau und Kondensation auf hohem Niveau. Dabei wird die Verdampfungswärme wiederum über den Kondensatorwärmetauscher an das Heizmedium (rot) abgegeben und gelangt mit dessen Hilfe zu unserem Heizkörper (Fußbodenheizung, Flächenradiator, vglb. mit einer Fahrradpumpe, die warm wird, wenn man beim Pumpen Luft komprimiert) Nun wird das Kältemittels über das Expansionsventil wieder entspannt ohne Energiezufuhr (violett/blau). Dieser Kreislauf kann immer weiterlaufen und entzieht somit der Umgebung Wärmeenergie. Der zweite entscheidende Clou ist, dass beim Verdampfen bzw. Kondensieren des Kältemittels die zigfache Wärmemenge gebunden und wieder freigegeben wird, als wann man das Kältemittel nur um ein paar Grad erwärmt.

Diagramm: Rest Netzbezug Brauchwasserwärmepumpe, Tageswerte/Jahresverlauf (PV 9,1 kWp, 270l Speicher)

Diagramm: Rest Netzbezug Brauchwasserwärmepumpe, Tageswerte/Jahresverlauf (PV 9,1 kWp, 270l Speicher)

Diagramm: Monitoring WP, ca. 4kW, Wärmepumpentarif (Energiemonitor PLUS)

Monitoring Zeitl. Verlauf

Diagramm: Monitoring WP, (Brauchwasser, Freigabesignal Relais bei solarem Überschuss, X-PLUS)

Geothermie, Hydrothermie, Aerothermie

Je nach Ort kann und muss sich die Wärmequelle unterscheiden. Der Raum, dem man die Energie entzieht, muss ausreichend Wärmeleistung zur Verfügung stellen, damit sich der Betrieb der Wärmepumpe lohnt. Wenn es draußen sehr kalt ist, reicht die zur Verfügung stehende Energie in der Luft (Aerothermie), auch nutzbare Wärmeleistung genannt, womöglich nicht aus, um effizient als Austauschquelle zu fungieren. Der Betrag an aufgewandter Energie für den Betrieb der Wärmepumpe muss in einem entsprechenden Verhältnis zur nutzbaren Wärmeleistung stehen. Auch in kalten Umgebungen könnte die WP der Luft geringe Mengen an Energie entziehen und damit das Trägermedium erwärmen.

Der Antrieb der WP würde dann jedoch eine unverhältnismäßig hohe Menge an elektrischer Antriebsenergie benötigen und das ganze System würde ineffizient werden (COP zw. Jahresarbetszahl sinkt). Dann kann man z.B. auf Geothermie oder Hydrothermie, also Erdwärme und Grundwasserwärme ausweichen, um ein geeignetes Verhältnis zwischen nutzbarer Wärmeleistung und aufzuwendender Antriebsenergie zu erhalten.

Für jede Lage muss also individuell herausgefunden werden, welche Wärmequelle geeignet ist und welche Infrastruktur dementsprechend geschafft werden muss. Abgesehen von diesen Quellen muss noch ein geringer Teil an Antriebsenergie für die WP bereitgestellt werden.

Mit Photovoltaik heizen

Wärmepumpen sind noch lange nicht so verbreitet wie Phototvoltaik (kurz PV). Auf den Dächern von immer mehr Häusern werden PV-Anlagen installiert, um einen möglichst hohen Teil des Eigenenergiebedarfs zu decken und zu Spitzenzeiten gegen Vergütung ins Netz einzuspeisen. Die Vergütung sinkt jedoch bzw. ist in den letzten Jahren stark abgesenkt worden und die Netzeinspeisung ist damit unattraktiv. Man möchte also den Eigenverbrauch der selbst erzeugten Energie möglichst maximieren, um einen hohen Autarkiegrad (Verhältnis des vom produzierten Strom selbst genutzten Anteils zum Gesamtverbrauch) zu erreichen. Bisher kann man elektrische Geräte unkompliziert mit dem selbst generierten PV-Strom betreiben, aber Warmwasser und Heizung sind meistens noch getrennte Energiekosten.

Die Wärmepumpe hingegen ermöglicht es, genau diese zwei Energieaspekte ebenfalls mit elektrischer Energie aus der eigenen Generierung versorgen zu können. Der relativ niedrige Antriebsstrom der WP kann jetzt teilweise direkt durch unsere PV-Anlage gedeckt werden.

Sparsame und umweltfreundliche Wärmepumpe

Wie bereits erwähnt, sind die Wärmequellen der WP in der unmittelbaren Umgebung zu finden. Sie sind nachhaltig und unbegrenzt verfügbar. Anstatt Strom aus fossiler Verbrennung zu beziehen, nutzt die Wärmepumpe wesentlich umweltfreundlichere Wärmequellen. Um das eigene Haus zu heizen, wird lediglich ein geringer Antriebsstrom für die WP benötigt, die restliche Energiemenge kommt aus der Umwelt. Wenn man bei einer Heizung durch Erdgas zum Beispiel 16 kWh benötigt, um 15kWh Wärme zu erzeugen, dann kann nur 90 Prozent der Energie aus dem Gas tatsächlich in Wärme umgewandelt werden. Mit einer WP erzeugte 15 kWh thermische Energie benötigen hingegen nur 3.5 kWh Strom, also 4,3-mal so wenig elektrische Energie als am Ende Wärme erzeugt wird, weil der restliche Teil eben aus den Wärmequellen entnommen wird. Die Energiemengen die wir als Verbraucher demnach decken müssen (Gas- bzw. Stromkosten) ist dann viermal so gering.

Die Wärmepumpe ist nicht nur ein wesentlich sparsamerer Weg, um die eigene Wohnung zu heizen, sondern hebt auch den Eigenverbrauch des PV-generierten Stroms. Wo man zuvor nur einen geringen Anteil des eigengenerierten Stroms durch z.B. elektrische Geräte verbraucht hat und den restlichen Anteil gegen Vergütung ins Netz einspeiste, kann man durch eine Wärmepumpenanlage auch noch einen Teil der Heizkosten mit eigener elektrischer Energie decken. Der Autarkiegrad kann so erhöht werden.

Erhöhung des Autarkiegrades durch Energiespeicherung

Eine wichtige Rolle spielen hier noch die Verbrauchsspitzenzeiten, die Tageszeitpunkte mit dem meisten Energiebedarf. Morgens und abends ist nicht nur der Betrieb von elektrischen Geräten am häufigsten, sondern auch der Heiz- bzw. Warmwasserbedarf. Ausgerechnet dann produzieren Photovoltaikanlagen wenig Strom. Die bisherige Lösung war eine Einspeisung ins Netz zu Mittagszeiten, wenn die PV-Anlage am meisten Strom produziert und zu den Verbrauchsspitzen umgekehrter Strombezug aus dem Stadtnetz. Mit Batteriespeichersystemen und einem Wasserwärmepuffer lässt sich genau dieses ineffiziente Ein- und Ausspeisen verringern und der Autarkiegrad final erhöhen.

Die Energie, die zum Sonnenhöchststand zur Verfügung steht, muss gespeichert werden, und das geht sehr gut auf zwei Arten: Strom und Wärmespeicherung. Einen Batteriespeicher zur späteren Bereitstellung von elektrischer Energie kann man auch schon ohne eine WP betreiben. Sie erhöht den Autarkiegrad zwar bereits, ist jedoch limitiert durch die Höhe der Investitionskosten für die Batterie und die dementsprechende Speicherkapazität. Darüber hinaus bietet jetzt die WP die Möglichkeit, die elektrische Energie aus den Spitzenzeiten gleich in Wärmeenergie umzuwandeln und diese zu speichern. Anstatt nur das Haus zu gewünschten Zeiten zu heizen, kann in Abwesenheit ein Wasserwärmepuffer (gut isolierter Wasserspeicher, Pufferspeicher) erhitzt werden und zusätzlich zur direkten Stromspeicherung die Energie der PV-Anlage für die Abend und Morgenstunden eines Haushalts speichern und bereithalten. Man kommt somit der Maximierung des Autarkiegrades immer näher…

Mit der Kombination aus Wärmepumpe und PV-Anlage kann nicht nur kostengünstig und umweltfreundlich Strom erzeugt und direkt verwendet, sondern auch der selbst generierte Strom langfristig gespeichert und genutzt werden.  Der eigene Energieverbrauch wird preiswerter, netzunabhängiger und effizienter.

Kommunikation zwischen Photovoltaikanlage und Wärmepumpe

Damit dieses komplexe System aus Energieerzeuger, -speicher, -umwandler und -verbraucher auch sinnvoll und effektiv funktioniert ist eine Kommunikation der einzelnen Geräte nötig.

Und wie am besten? Natürlich mit einem möglichst smarten Energiemanagementsystem (kurz EMS), und das sage ich nicht nur, weil das unser Spezialgebiet ist, sondern auch weil es faszinierend ist, was damit alles möglich gemacht werden kann.

Hier eine Beispielausgangslage: Wir als Bewohner eines Hauses mit PV auf dem Dach und einem WP-System brauchen morgens und abends Strom und warmes Wasser, wir wollen Wäsche waschen, das E-Auto laden und es nachts gemütlich warm haben. Wie bekommen wir dieses System am besten, oder sollte ich sagen am „smartesten“ geregelt?

Es kann sein, dass wir morgens noch zu einem gewissen Teil Netzstrom beziehen, denn die Sonne geht gerade erst auf und der Wärmespeicher ist durch die Nacht etwas abgekühlt. Das ist verkraftbar, denn ein 100-prozentiger Autarkiegrad soll hier noch nicht realisiert werden. Wenn dann jedoch die Sonne steigt, stellen die EMS-Schnittstellen den eigengenerierten Strom für das Hausnetz bereit. Sobald wir das Haus verlassen und die PV Anlage durch die steigende Sonne mehr Strom generiert, können wir anfangen, unseren Batteriespeicher zu laden und danach die Aufheizung des Wärmepuffers durch die WP freigeben. Die Smartmeter schalten diese Schritte zu sinnvollen Zeitpunkten frei. Die eben gefüllte Spülmaschine und Waschmaschine wird auch erst dann angeschaltet, wenn genügend Strom zur Verfügung steht und wir längst außer Haus sind, um den PV-Strom am besten zu nutzen.

Es wird alles so geregelt, dass der Höhepunkt der PV-Anlage, also wenn sie mittags am meisten Energie generieren kann, bestmöglich genutzt und für die Abend- und Nachtstunden gespeichert wird. Immer laufende Geräte wie Kühlschrank o.ä. werden von dem EMS berücksichtigt und laufen priorisiert. Erst wenn genügend Strom generiert wird, werden weitere Verbraucher eingeschaltet. Über den Hausanschluss (Zweirichtungszähler) kann trotzdem noch Energie in das Netz eingespeist oder bezogen werden, sollte die Photovoltaikanlage mal überdurchschnittlich viel erzeugen oder wir durch bewölkte Tage zu geringe Sonneneinstrahlung haben.

Bevor man wieder nach Hause kommt, wird noch das Haus selbst auf eine angenehme, etwas höhere Temperatur gebracht. Denn auch der Baukörper speichert enorm Energie, wenn wir ihn über den Tag aufheizen und er sich nachts langsam abkühlt.

Installation eines energieeffizienten Heizsystems

Wenn man sich dafür entscheidet auf ein solches System umzusteigen oder bei einem Neubau zu berücksichtigen sind verschiedenste Vorüberlegungen nötig. Wie sieht es mit den Wärmeenergiequellen in der Umgebung aus, ist es sinnvoll, Leitungen in das Grundwasser zu legen, eine Bohrung ins Erdinnere zu planen oder die im vorherrschenden Klima vorhandenen Lufttemperaturen zu nutzen?

Wie hoch wird der voraussichtliche Energiebedarf sein? Dem entsprechend wird die Fläche der PV Anlage gewählt und die Art zu Heizen (z.B. Fußboden- oder Infrarotheizung, Fußbodenheizungen können bspw. auch dazu genutzt werden, das Wärmepumpensystem im Sommer umzukehren, um die Wohnung abzukühlen).

Bei einem Altbau müssen evtl. Isolierungsmaßnahmen ergriffen und beim Neubau die Dachausrichtung beachtet werden. Wie groß muss die Wärmepumpe dimensioniert werden und wie groß der Pufferspeicher?

Moderne WP´s können in gedrosseltem Zustand laufen (modulierend) und sind dadurch effizienter und länger haltbar. Ein in Deutschland vergebenes „SG“ Label zeichnet eine Pumpe aus, die sich gut in ein Stromnetz eingliedern lässt, das intelligent und automatisiert ablaufen soll. Die Installation eines Energiemanagementsystems zur Visualisierung und sinnvollen Schaltung der einzelnen Verbraucher sorgt für die Kommunikation aller Systemteilnehmer und schließt das ganze System ab.

Für Uns und unsere Umwelt

Es sollte in Zukunft zunehmend auf die Energieeffizienz unserer Häuser geachtet werden, um möglichst umweltfreundlich und energiesparend zu wohnen. Eine Kombination aus Photovoltaikanlage mit einer Wärmepumpe ist eine gute Möglichkeit, genau das zu realisieren. Die Funktionsweise und Umsetzung sind noch wesentlich komplexer, als es hier aufgeführt wurde, schaffen aber, einmal installiert, einen langfristigen, sparsamen und umweltfreundlichen Energiehaushalt.

Leon Maut, 09.01.2020

Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Seite! Hier

Quellen

Quelle 1: Interessengemeinschaft Energie Umwelt Feuerungen BmbH: Informationsblatt Nr.70, Planung und Auslegung des Systems PV-Anlage, Wärmepumpe und Speicherung, April 2018

Quelle 2: Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE: Abschlussbericht „WPsmart im Bestand“, 23.07.2020

Quelle 3: Energie Agentur NRW: Leitfaden Wärmepumpe, Kombination von Wärmepumpe und Photovoltaik, Oktober 2015