Warmwasser mit PV
Heizung mit PV
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◼ Das solar-elektrische Haus
Power-to-Heat: Mit Strom heizen, galt lange Zeit als unwirtschaftlich und klimaschädlich: Mit der Energiewende macht die Elektroheizung am Markt Effizienz und Wirtschaftlichkeit gut. Allerdings nur unter bestimmten Vorzeichen.
Das schlechte Image elektrischer Direktheizsysteme stammt vor allem aus der Zeit der Nachtspeicheröfen. Schmutziger Kohle- und Atomstrom wurde nachts verheizt, weil die Großkraftwerke nicht runtergefahren werden konnten. Der Strom wurde ohne Hinzugabe von Umweltenergie in das System nur 1:1 in Wärme umgesetzt.
Für die photovoltaische Wärmeerzeugung sind der Warmwasserboiler und die elektrische Fußbodenheizung hingegen „Tagspeicheröfen“. Die Energie stammt nun aus überschüssiger Produktion vom eigenen Dach, sie ist sauber und erneuerbar geworden. PV-Anlagen müssen nicht abgeriegelt werden, der Solarstrom wird zur Gänze genutzt. „Backup“ für die Zeiten mit zu wenig Erzeugung kommt aus dem öffentlichen Netz. In der energetischen Jahresbilanz schlägt die Technologie dabei mittlerweile selbst die Wärmpumpe.
Welche Häuser kommen dafür in Frage?
Für ein Einfamilienhaus das wärmetechnisch nach dem heutigen Stand der Technik neu errichtet oder fachgerecht thermisch saniert wird, ist ein wassergeführtes Heizsystem im Hinblick auf Leistung und Materialeinsatz bei der Installation ein Overkill. Die benötigte Heizlast pendelt sich zwischen drei und sechs kW ein. Für diese geringe Leistung ist eine konventionelle Heizung völlig überdimensioniert. Der Grund liegt in der hydraulischen Wärmeverteilung. Diese ist aufwändig und verlustbehaftet. Elektrische Heizungen erzeugen die Wärme aber direkt am Ort des Bedarfs.
Für Gebäude mit einem spezifischen Heizwärmebedarf von 50 kWh pro Quadratmeter im Jahr (Niedrigenergiehaus) oder weniger, gibt es also mittlerweile bessere und vor allem einfachere Möglichkeiten. Dabei investiert man nicht eine große Summe für die Haustechnik im Keller, sondern nimmt stattdessen einen Teil des Budgets, um seine verfügbare Dachfläche möglichst vollständig mit Photovoltaikmodulen zu füllen.
Das Primärheizsystem rein solar-elektrisch auszuführen, ist nur in Wohnhäusern sinnvoll, die nach heutigem Stand der Technik errichtet oder thermisch saniert wurden!
Abbildung 1: Für den geringen Heizwärmebedarf (orange) heutiger Einfamilienhäuser sind konventionelle wassergeführte Heizungen meist überdimensioniert.
Für Häuser mit höherer Energiekennzahl lautet die allgemeine Empfehlung hingegen seit jeher, erst eine thermische Sanierung der Hülle vorzunehmen (Fenstertausch, Fassaden- und Geschossdeckendämmung) und erst im Anschluss die Auswahl eines geeigneten Heizsystems vorzunehmen. Energie, die nicht benötigt wird, muss ja bekanntlich gar nicht erst erzeugt werden!
In der thermischen Gebäudesanierung schlummert eines der großen Potenziale für die Energiewende und den Klimaschutz.
Wie groß muss die Photovoltaikanlage eines solar-elektrischen Hauses sein?
Bei einem derartigen Einfamilienhaus bewegt sich der jährliche Energiebedarf für Raumwärme in der Größenordnung von ungefähr 4.000 kWh. Er entspricht also etwa der gleichen Energiemenge die in so einem Objekt jeweils für Strom, Warmwassererzeugung und für Elektromobilität erforderlich ist. Um die Energieversorgung aller vier Sektoren zu einem wesentlichen Anteil aus der eigenen Photovoltaikanlage speisen zu können, beträgt die Anlagenleistung typischerweise 10 kWp oder mehr. Dafür sind mit modernen Modulen aber lediglich 50 Quadratmeter Fläche erforderlich (Annahme Modulleistung 330 Wp, 1,6 m² Modulfläche). So viel Platz ist auf den Dächern freistehender Einfamilienhäuser in der Regel verfügbar!
Wie wird die Wärme eingebracht?
Über elektrische Heizmatten in Fußboden, Wand oder Decke. Diese sind jedoch deutlich preisgünstiger als eine wassergeführte Fußbodenheizung und obendrein können die meisten dieser Produkte auch auf bestehenden Estrichen verlegt werden. Für Sanierungen bedeutet dies den überragenden Vorteil, dass nur der Bodenbelag neu gemacht wird und nicht der gesamte Aufbau abgerissen und ersetzt werden muss.
Wie bei wassergeführten Fußbodenheizungen bieten aber auch E-Heizmatten den Vorteil, dass die Masse des Bodens thermisch aktiviert werden kann. Dieser kann somit als Tagspeicher für photovoltaische Überschüsse verwendet werden, Erzeugungsschwankungen werden gut ausgeglichen. In einem Haus mit 120 Quadratmeter Nutzfläche kann der Estrich bei nur 4 Grad Erwärmung (z.B. von 22°C auf 26°C) immerhin 25 kWh an Energie bevorraten.
Kritische Behaglichkeitszonen wie das Badezimmer können kurzzeitig auch per Infrarotpaneele temperiert werden, generell ist eine Speichermasse wie der Fußboden, die Wand oder die Decke jedoch zu bevorzugen. Die Wärmeleistung der IR-Paneele ist nach diesem Haustechnikkonzept daher üblicherweise nicht stufenlos entsprechend den PV-Erträgen geregelt, eine Verwendung ist nur temporär angedacht.
Abbildung 2: Prinzipschema des solar-elektrischen Hauses
Wie kann das ökologischer sein als eine Wärmepumpe?
Eine Wärmepumpe kann „nur“ Wärme erzeugen. Sie leistet keinerlei Beitrag für die elektrischen Verbraucher im Gebäude. Im Gegensatz dazu versorgt die Photovoltaik die normalen elektrischen Haushaltsverbraucher vorrangig vor der Wärmeerzeugung und trägt somit in höchstem Maß zur Reduktion des Netzbezugs bei.
Bei Niedrigenergiehäusern liegt die solar-elektrische Haustechnik in Sachen Energieeffizienz mittlerweile gleichauf mit einer Luftwärmepumpe. Der Vergleich zwischen einem Wärmepumpen-System und der stufenlos (!) leistungsgeregelten PV-Wärmeerzeugung ist anhand eines beispielhaften Reihenhausprojekts im Folgenden dargestellt.
Rahmenbedingungen Reihenhausprojekt
Standort: Oberösterreich
PV-Leistung 5,66 kWp
Wohnfläche: 115 m², HWB ca. 27 kWh/m²a
Haushaltsstromverbrauch: 3.000 kWh/a
Kein Batteriespeicher, keine Elektromobilität.
Warmwasserbedarf: 200 L/d (4 Personen)
Abbildung 3: Jahresenergiebilanz mit Luftwärmepumpe
Wie in Abbildung 3 dargestellt verwendet die Wärmepumpe Umweltenergie, welche durch die Verdampfung eines Kältemittes von der Umgebungsluft aufgenommen wird zur Bereitstellung der Wärme. Ihre eigene Antriebsleistung wird immer vom Stromnetz gespeist. Die Summe aus diesen beiden Energiemengen stellt den Wärmeoutput dar der zur Warmwasserbereitung und Gebäudeheizung verwendet werden kann. In jedem Fall muß aus dem öffentlichen Netz zudem aber noch der reguläre Strombedarf für die elektrischen Haushaltsverbraucher gedeckt werden. Insgesamt ist somit neben der Antriebsenergie der Wärmepumpe auch dieser Energiemenge vom Stromnetz zu beziehen.
Abbildung 4: Jahresenergiebilanz mit photovoltaischer Wärmeerzeugung
Für das gleiche Gebäude erfolgt nun die Betrachtung einer rein solar-elektrischen Haustechnikvariante. Dabei sind in diesem Beispiel lediglich 5,66 kWp bei der Berechnung berücksichtigt. Es ergibt sich neben dem niedrigeren Stromverbrauch in der PV Variante ein zusätzlicher Einspeise-Ertrag von ca. 1.000 kWh.
Das System hat somit eine bessere Jahresarbeitszahl.
Wie kann eine rein elektrische Haustechnik eine Jahresarbeitszahl haben?
Ein elektrischer Wärmeerzeuger für sich allein hat ebenso wenig eine Jahresarbeitszahl wie der Wasserkreis einer Fußbodenheizung. Erst das Gesamtsystem ermöglicht einen solchen Faktor. Für die Wärmepumpe heißen die erforderlichen Systemkomponenten Verdampfer, Kompressor, Kondensator und Drosselventil. Über den Verdampfer wird Umweltenergie aufgenommen. Bei Luftwärmepumpen ist die Wärmequelle die Umgebungsluft. Erwärmt wird diese von der Sonne.
Anstelle des Verdampfers rückt bei der solar-elektrischen Variante nun die Photovoltaikanlage. Die ursprüngliche Quelle der Umweltenergie ist somit ebenfalls die Sonne. Der Energieträger ist nun elektrischer Strom anstelle eines Kältemittels, dünne Kabel ersetzen nicht nur aufwändige Rohrsysteme, sondern auch Technik die ohne regelmäßige Wartung gar nicht auskommen kann.
Für das solar-elektrische Konzept ist die Photovoltaik das, was der Verdampfer für die Wärmepumpe ist. Sie verwendet die Sonne als ursprüngliche Energiequelle um Umweltenergie in das System einzubringen.
Der große Vorteil ist, dass nun Elektrizität statt Wärme zur Energieverteilung verfügbar ist. „Kabel statt Rohre“ machen das System ungleich einfacher und kostengünstiger. Eine Eigenschaft, die sich auch in den Wartungskosten deutlich auswirkt.
Warum nicht Wärmepumpe und Photovoltaik kombinieren?
Aus verschiedenen Gründen. Zum einen ist die elektrische Antriebsleistung von Wärmepumpen im Allgemeinen nicht stufenlos regelbar, was aber eine Grundvoraussetzung für die Kombination mit Photovoltaik ist. Bei rein elektrischen Wärmequellen in Kombination mit geeigneten Leistungsstellern ist die Wärmeerzeugung hingegen „PV-ready“.
Ein weiterer Aspekt sind die Kosten. Zwei Systeme (PV und konventionelle Heizung kombiniert) sind natürlich entsprechend teurer und für die breite Masse der Bauherren und Hausbesitzer oft eine zu große finanzielle Hürde. Dazu kommen dann auch noch die monetären Aufwände für die Wartung der Wärmepumpe.
Dritter Punkt: Lautstärke. Haustechnik die ohne bewegliche Teile auskommt ist nicht nur wartungs- sondern auch geräuscharm.
Wie hoch sind die Kosten von Anschaffung und Betrieb?
Vielen Leuten ist noch gar nicht bewusst, wie günstig Photovoltaik mittlerweile schon geworden ist. Heutzutage ist ein 270W Modul bereits für 100 Euro zu bekommen. Diese Tatsache schafft die wirtschaftliche Grundlage für das Konzept „Kabel statt Rohre“.
Ein ökonomischer Vergleich von Betriebs- und Investitionskosten des solar-elektrischen Konzepts mit der Variante einer Luftwärmepumpe bringt beeindruckende Ergebnisse.
Die Zahlen welche dieser Kalkulation zu Grunde liegen sind gängige Marktwerte die in Abstimmung mit Installateuren berücksichtigt wurden. Die Energiekosten für Österreich (Bezug 20 ct/kWh, Einspeisung 4 ct/kWh) und Deutschland (Bezug 25 ct/kWh, Einspeisung 12 ct/kWh) führen zu zwei unterschiedlichen Ergebnissen:
Abbildung 5: Vergleich der Betriebs- und Investitionskosten mit einer Luftwärmepumpe in Österreich und Deutschland
Im Unterschied zu Wärmepumpen können bei solar-elektrischer Haustechnik durch die Dimensionierung der Photovoltaikanlage Investitions- und Betriebskosten in weiten Bereichen direkt beeinflusst werden. Bei einer Anlagenleistung von 5 kWp beispielsweise liegen die Betriebskosten bei beiden Konzepten auf gleichem Niveau. Die Investitionskosten hingegen fallen um 30 Prozent geringer aus. Laufende Wartungskosten für die Wärmepumpe sind dabei noch gar nicht berücksichtigt. Diese wären gegenüber einem System das ohne bewegliche Teile auskommt natürlich höher.
Mit zunehmender PV-Leistung erhöhen sich klarerweise die Errichtungskosten. Andererseits sinken dadurch die Betriebskosten da nun ein größerer Anteil der benötigten Energie aus der hauseigenen Erzeugung stammt. Bei einem Einfamilienhaus mit einer 10 kWp Anlage liegen diese in Österreich bei nur 70 % und in Deutschland bei gerade mal 55 % der Vergleichsvariante mit der Wärmepumpe. Die Anschaffung ist dabei aber noch immer nicht teurer.
Es steht dem Kunden über die Leistung der PV-Anlage somit frei zu entscheiden an welcher Stelle er sparen möchte. Natürlich können Projekte die zunächst mit kleineren PV-Anlagen versehen sind später ihren Autarkiegrad über den Zubau weiterer Module noch erhöhen und die Jahresarbeitszahl dadurch steigern.
Im Haus der Zukunft ist alles rein elektrisch, größtenteils solar-elektrisch! „Kabel statt Rohre“ vereinfachen nicht nur die Installation und den Betrieb der zukünftigen Haustechnik. Das Konzept ist bei entsprechender Dimensionierung der Photovoltaikanlage zudem auch ökologischer als eine wassergeführte Heizung mit einer Wärmepumpe und in punkto Kosten obendrein auch noch günstiger!
Kann ich mein persönliches Bauvorhaben auch berechnen?
Ein einfaches Tool für die individuelle Berechnung Ihres Energie-Systems bietet my-PV online mit dem „Lösungs-Coach“. Es fließen dabei Strom, Warmwasser, Heizung und ggf. auch E-Autos in die Analyse ein. Basis ist ein rein elektrisches Energiesystem mit Photovoltaik als wesentliche Energiequelle.
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